Древний Марс, возможно, кишел жизнью, пока она не привела к изменению климата, вызвавшему ее гибель

Исследователи с кафедры экологии и эволюционной биологии Аризонского университета смоделировали условия, в которых гипотетические формы жизни могли бы существовать на Марсе 4 млрд лет назад, когда жидкая вода, вероятно, присутствовала на красной планете в изобилии. Credit: ESO/M. Kornmess

В начале своей истории красная планета, вероятно, была пригодна для обитания метаногенов — микробов, зарабатывающих на жизнь в экстремальных условиях на Земле, — говорится в исследовании, в котором моделируются условия на молодом Марсе.

Если на Марсе когда-либо существовала жизнь — а это очень большое «если», — то условия в период становления планеты, скорее всего, поддерживали бы ее, говорится в новом исследовании, проведенном учеными из Университета Аризоны.

Марс — четвертая планета от Солнца — сухой, пыльный, горько-холодный, пустынный мир с очень тонкой атмосферой. Хотя большинство ученых не ожидают обнаружить на Марсе живые организмы в настоящее время, гораздо более правдоподобно, что жизнь там существовала давно. В те времена Марс был более теплым и покрытым водой, а значит, гораздо более благоприятным для жизни.

Сегодня Марс — это сухая и очень холодная планета с непрочной атмосферой. Поэтому крайне маловероятно, что на его поверхности может существовать какая-либо форма жизни. Однако, согласно результатам исследования, 4 млрд. лет назад меньший красный сосед Земли мог быть гораздо более гостеприимным. Исследование было опубликовано 10 октября в журнале Nature Astronomy.

Большинство специалистов по Марсу сходятся во мнении, что в начале своего существования планета имела гораздо более плотную атмосферу, чем сегодня. По мнению Реджиса Ферриера (Regis Ferrière), профессора кафедры экологии и эволюционной биологии Аризонского университета и одного из двух старших авторов работы, богатая углекислым газом и водородом атмосфера, скорее всего, создавала умеренный климат, позволявший проникать воде и, возможно, процветать микроорганизмам.

Авторы не утверждают, что на раннем Марсе существовала жизнь, но если бы она существовала, — сказал Феррьер, — то наше исследование показывает, что подземный ранний Марс, скорее всего, был бы пригоден для обитания метаногенных микробов».

На этом снимке художника показано, как мог выглядеть Марс около четырех миллиардов лет назад. Credit: ESO/M. Kornmesser

Известно, что такие метаногены, живущие за счет преобразования химической энергии окружающей среды и выделяющие метан в качестве отработанного продукта, существуют в экстремальных местах обитания на Земле. Например, они встречаются вблизи гидротермальных источников, расположенных вдоль трещин на дне океана. Там они поддерживают целые экосистемы, приспособленные к сокрушительному давлению воды, полной темноте и почти отрицательным температурам.

Используя современные модели коры, атмосферы и климата Марса в сочетании с экологической моделью сообщества земных микробов, метаболизирующих углекислый газ и водород, группа исследователей проверила гипотетический сценарий зарождения марсианской экосистемы.

Метаногены — это микроорганизмы, вырабатывающие метан в качестве побочного продукта метаболизма в условиях гипоксии (низкого содержания кислорода).

На Земле водород в основном связан с водой и не часто встречается сам по себе, разве что в изолированных средах, таких как гидротермальные источники. Однако, по мнению авторов, изобилие водорода в марсианской атмосфере могло обеспечить достаточный запас энергии для метаногенных микробов около 4 млрд. лет назад, когда условия были более благоприятны для жизни. По словам Феррьера, ранний Марс сильно отличался бы от современного: он был бы скорее теплым и влажным, чем холодным и сухим, благодаря большой концентрации водорода и углекислого газа — сильных парниковых газов, задерживающих тепло в атмосфере.

«Мы считаем, что в то время на Марсе было немного холоднее, чем на Земле, но не настолько, как сейчас, а средняя температура, скорее всего, была выше точки замерзания воды», — сказал он. «В то время как современный Марс описывается как ледяной куб, покрытый пылью, мы представляем себе ранний Марс как скалистую планету с пористой корой, пропитанную жидкой водой, которая, вероятно, образовывала озера и реки, возможно, даже моря или океаны».

По данным спектроскопических измерений горных пород на марсианской поверхности, эта вода должна была быть чрезвычайно соленой.

Исследование показало, что, хотя древняя марсианская жизнь могла первоначально процветать, под воздействием водорода, потребляемого из атмосферы, и метана, выделяемого в атмосферу, поверхность планеты покрылась бы льдом и стала непригодной для жизни. Credit: Boris Sauterey and Regis Ferrière

Для моделирования условий, с которыми ранние формы жизни могли столкнуться на Марсе, ученые применили модели, предсказывающие температуру на поверхности и в коре при заданном составе атмосферы. Затем они объединили эти данные с разработанной ими моделью экосистемы, чтобы предсказать, смогли бы биологические популяции выжить в местной среде и как они повлияли бы на нее с течением времени.

«После того как мы создали нашу модель, мы запустили ее в работу на марсианской коре — образно говоря, — говорит Борис Саутери, первый автор статьи. В прошлом он был аспирантом в группе Ферриера, а сейчас является постдокторантом в университете Сорбонна в Париже. «Это позволило нам оценить, насколько правдоподобной может быть марсианская подземная биосфера. И если такая биосфера существовала, то как она могла бы изменить химический состав марсианской коры и как эти процессы в коре могли бы повлиять на химический состав атмосферы».

«Наша цель состояла в том, чтобы создать модель марсианской коры с ее смесью горных пород и соленой воды, позволить газам из атмосферы диффундировать в грунт и посмотреть, могли ли метаногены жить в таких условиях», — говорит Феррьер, работающий в Парижском университете Sciences Lettres. И ответ, в общем, таков: «Да, эти микробы могли бы жить в коре планеты».

На этом снимке художника показано, как мог выглядеть Марс около четырех миллиардов лет назад. Credit: ESO/M. Kornmesser/N. Risinger (skysurvey.org)

Затем исследователи попытались ответить на интригующий вопрос: Если бы жизнь процветала под землей, как глубоко нужно было бы опуститься, чтобы найти ее? Марсианская атмосфера обеспечила бы организмы химической энергией, необходимой для их жизнедеятельности, пояснил Саутери, — в данном случае водородом и углекислым газом.

«Проблема в том, что даже на раннем Марсе на поверхности было еще очень холодно, поэтому микробам пришлось бы углубиться в кору, чтобы найти температуру, пригодную для жизни», — сказал он. «Вопрос в том, насколько глубоко должны зайти микробы, чтобы найти правильный компромисс между температурой и доступностью молекул из атмосферы, необходимых им для роста? Мы обнаружили, что микробные сообщества в наших моделях были бы наиболее счастливы в верхних нескольких сотнях метров».

Модифицировав свою модель с учетом того, как влияют друг на друга процессы, происходящие над и под землей, ученые смогли предсказать климатическую обратную связь с изменением состава атмосферы, вызванным биологической активностью этих микробов. В результате исследования выяснилось, что, хотя древняя марсианская жизнь вначале могла процветать, ее химическая обратная связь с атмосферой привела бы к глобальному похолоданию планеты, что в конечном итоге сделало бы ее поверхность непригодной для жизни и загнало бы жизнь все глубже и глубже под землю, а возможно, и к вымиранию.

«Согласно нашим результатам, атмосфера Марса была бы полностью изменена биологической активностью очень быстро, в течение нескольких десятков или сотен тысяч лет», — сказал Саутери. «Удаляя водород из атмосферы, микробы резко охладили бы климат планеты».

В результате биологической активности поверхность раннего Марса вскоре стала бы ледниковой. Другими словами, изменение климата под воздействием марсианской жизни могло привести к тому, что поверхность планеты очень рано стала непригодной для жизни.

«Проблема, с которой столкнулись бы эти микробы, заключается в том, что атмосфера Марса практически исчезла, полностью истончилась, поэтому их источник энергии исчез бы, и им пришлось бы искать альтернативный источник энергии», — говорит Саутери. «Кроме того, температура значительно снизилась бы, и им пришлось бы значительно глубже погружаться в кору. На данный момент очень трудно сказать, как долго Марс оставался бы пригодным для жизни».

Ответы на эти вопросы могут дать будущие миссии по изучению Марса, но, по мнению исследователей, проблемы останутся. Например, хотя они и назвали Hellas Planitia — обширную равнину, вырезанную в результате столкновения с крупной кометой или астероидом в самом начале истории Марса, — особенно перспективным местом для поиска следов прошлой жизни, рельеф этой местности порождает самые сильные пылевые бури на Марсе, что может сделать этот район слишком опасным для исследования автономным марсоходом.

Однако, по словам Саутери, когда люди начнут осваивать Марс, такие объекты могут вновь попасть в список объектов для будущих полетов на планету. Пока же команда сосредоточила свои исследования на современном Марсе. Марсоход НАСА Curiosity и спутник Европейского космического агентства Mars Express зафиксировали повышенный уровень метана в атмосфере, и хотя такие скачки могут быть следствием не только микробной активности, они допускают интригующую возможность того, что такие формы жизни, как метаногены, могли сохраниться в изолированных карманах Марса, глубоко под землей — оазисах инопланетной жизни в ином враждебном мире.

Ссылка: «Ранняя обитаемость Марса и глобальное охлаждение, вызванное метаногенами на основе H₂-базированными метаногенами» Борис Саутери, Бенджамин Шарней, Антонин Аффхолдер, Стефан Мазеве и Режис Ферьер, 10 октября 2022 г., Nature Astronomy . DOI: 10.1038/s41550-022-01786-w