Неорганические соединения с хлором помогут искать жизнь за пределами Земли

Ученые выяснили, как высокоэнергетическое излучение разрушает перхлораты — вещества на основе хлора, кислорода и водорода, которые в большом количестве есть на поверхности Марса и Европы, спутника Юпитера. Эти вещества могут как разрушать органические соединения, так и быть источником энергии для некоторых микроорганизмов. Полученные данные помогут анализировать геохимические процессы на Марсе и оценивать условия, при которых может существовать жизнь за пределами Земли. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Icarus.

На Марсе повсеместно распространены соединения хлора, которые остались от древних испарившихся водоемов и сейчас содержатся в вулканической пыли. Под действием космического излучения из этих соединений образуются соли хлорной кислоты — перхлораты, — которые накапливаются в поверхностных слоях грунта и льда. Перхлораты активно взаимодействуют с органическими молекулами и разрушают их, из-за чего найти последние может быть очень трудно.

В то же время некоторые микроорганизмы на Земле могут использовать перхлораты как источник энергии, поэтому ученые предполагают, что эти вещества могут играть такую же роль в возможных внеземных экосистемах. Однако раньше не было известно, насколько перхлораты устойчивы в космических условиях, например, на поверхности Марса и Европы, и как на их поведение влияет состав окружающей среды. Большинство предыдущих экспериментов проводилось с чистыми веществами, без учета минеральных и водных компонентов, характерных для других планет.

Исследователи из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург), Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) совместно с коллегами воспроизвели в лаборатории условия, близкие к внеземным. Они изучили несколько типов химических соединений: чистый перхлорат натрия, его водный раствор, сухую смесь с кварцевым песком и смесь песка с раствором соли, которые имитируют марсианский грунт.

Все образцы охладили до температуры около –140°C и поместили в вакуумную камеру, чтобы смоделировать условия полярных районов Марса. Затем соединения облучили пучком электронов, имитирующим воздействие космической радиации. В конце эксперимента ученые измерили, сколько перхлората сохранилось в образцах и какие соединения образовались в результате его распада.

Оказалось, что скорость разрушения перхлоратов сильно зависит от окружающей среды. Быстрее всего на опасные для органических молекул оксиды они распадались в сухих смесях с кварцевым песком. В таких образцах при высоких дозах излучения разрушилось до 30% вещества. В присутствии воды, напротив, радиационное разложение заметно замедлялось. Это связано с тем, что вода частично поглощает энергию излучения и снижает его воздействие на перхлорат. Поэтому в ледяных и увлажненных областях, где перхлораты более устойчивы к воздействию излучения, вероятность сохранения биомаркеров выше.

На основе экспериментов исследователи рассчитали, как долго перхлораты могут сохраняться на Марсе и Европе. По их оценкам, на глубине около одного метра в марсианском грунте эти соединения могут существовать десятки и сотни миллионов лет. Однако вблизи поверхности они разрушаются за сотни тысяч или миллионы лет. На Европе, где уровень радиации особенно высок, в верхнем слое льда перхлораты могут исчезать всего за несколько десятилетий. Это означает, что химический состав поверхности спутника постоянно обновляется под действием излучения.

Таким образом, полученные данные помогут определять наиболее перспективные зоны для поиска следов жизни за пределами Земли.

«Наше исследование вносит вклад в понимание важнейшего фундаментального вопроса — существуют ли следы живого на Марсе. Результаты исследования можно применять для прогнозирования условий на Марсе и, следовательно, оцевать пригодность этих условий для существования жизни. Даже небольшие различия в содержании воды или минералов могут существенно влиять на сохранность органических веществ. В дальнейшем мы планируем изучить воздействие других факторов, в частности, температуры на эффективность радиолиза перхлоратов», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Владимир Чепцов, кандидат биологических наук, научный сотрудник кафедры биологии почв факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

В исследовании также принимали участие ученые из Института космических исследований РАН (Москва) и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (Санкт-Петербург).