1. Введение: Загадка древнего Марса и его потерянной атмосферы
Марс, в настоящее время представляющий собой холодную, гиперзасушливую пустыню с разреженной атмосферой, состоящей в основном из углекислого газа, резко контрастирует со своим древним прошлым. Геологические данные, такие как сети долин и особенности, образованные текущей водой, убедительно указывают на то, что в течение Нойской эры (приблизительно от 4,1 до 3,5 миллиардов лет назад) Марс обладал более плотной атмосферой и поддерживал жидкую воду на своей поверхности, создавая условия, потенциально пригодные для микроорганизмов. 1
Гесперийская эра, промежуточный и переходный период, последовавший за Нойской, стала свидетелем драматического перехода от этого «теплого и влажного» состояния к сухой, холодной и пыльной планете, наблюдаемой сегодня.3 Этот переход характеризовался значительным истончением атмосферы и повсеместной потерей поверхностной жидкой воды.3 Центральной загадкой в марсианской планетарной науке является судьба ее ранней, плотной, доминирующей CO2 атмосферы, которая, по оценкам, составляла от 0,25 до 4 бар.5 Существующие механизмы утечки атмосферы, объясняющие лишь около 1,3–6,3 мбар потери CO2 с Нойской эры, на порядки не дотягивают до объяснения этого существенного исчезновения.5
Гипотеза, выдвинутая в данном исследовании, предполагает, что микробная жизнь на Марсе, развивавшаяся в гесперийскую эру, выработала метаболизм, который активно потреблял атмосферный CO2. Это потребление, подобно Великому кислородному событию на Земле (ВКО), могло сыграть ключевую роль в истончении атмосферы планеты. ВКО на Земле, вызванное оксигенным фотосинтезом цианобактерий, фундаментально преобразовало раннюю восстановительную атмосферу Земли (богатую CO2 и метаном) в окислительную, что привело к значительным климатическим изменениям и глубоким последствиям для ранней жизни.9 Основной вопрос, на который необходимо ответить, заключается в следующем: какой конкретный тип(ы) микробного метаболизма мог действовать в уникальных условиях гесперийского Марса для достижения такого крупномасштабного потребления атмосферного CO2, и как это могло способствовать наблюдаемой потере атмосферы?
2. Гесперийский Марс: Экологический контекст для жизни
Гесперийская эра на Марсе представляет собой критический период в истории планеты, характеризующийся значительными изменениями в ее атмосфере, гидросфере и климате. Понимание этих условий имеет решающее значение для оценки возможности существования и влияния микробной жизни.
Атмосферный состав и давление в гесперийскую эру
К началу позднего Гесперия атмосфера Марса, вероятно, истончилась до своей нынешней низкой плотности.4 Это указывает на быстрое снижение давления по сравнению с более ранним, более плотным состоянием. Ранняя марсианская атмосфера преимущественно состояла из CO2, с оценками от 1 до 3 бар.5 Вулканическая дегазация, особенно во время перехода от Нойской к Гесперийской эре, высвободила значительные количества диоксида серы (SO2) и сероводорода (H2S) в атмосферу.3 Это привело к значительному увеличению концентрации этих газов в сокращающейся атмосфере.3 Переход от потенциально плотной, богатой CO2 атмосферы к тонкой, в сочетании с увеличением SO2 и H2S, указывает на динамичную и развивающуюся атмосферную систему. Истончение атмосферы CO2 привело к уменьшению парникового эффекта и охлаждению планеты. Вулканические выбросы, хотя и пополняли атмосферный состав, также вводили реактивные сернистые соединения, которые влияли бы на химический состав воды (кислотность) и, возможно, на химический состав атмосферы, создавая условия для различных типов химических источников энергии для жизни. Это означает, что микробная активность, если бы она потребляла парниковые газы, могла бы действовать как значительный фактор изменения климата, ускоряя охлаждение и последующую потерю атмосферы.
Доступность, состояние и химический состав воды
В течение Гесперия жидкая вода становилась все более локализованной и кислой, в основном из-за ее взаимодействия с вулканическими SO2 и H2S, которые образовывали серную кислоту.3 Этот сдвиг привел к изменению типа выветривания с преимущественно филлосиликатного (глинистого) на сульфатный.4 По мере охлаждения планеты грунтовые воды, хранящиеся в верхней коре, начали замерзать, образуя толстую криосферу, под которой находилась более глубокая зона жидкой воды.4 Катастрофические паводки, резко отличающиеся от более ранних речных процессов, происходили на протяжении всего Гесперия, прорезая огромные каналы. Эти паводки были результатом вулканической или тектонической активности, разрушающей криосферу и высвобождающей огромное количество глубоких грунтовых вод на поверхность.3 Большая часть этой воды стекала в северное полушарие, где, вероятно, скапливалась, образуя большие временные озера или покрытый льдом океан.4 Атмосферное давление упало ниже тройной точки воды при марсианских температурах, что означало, что вода обычно переходила бы непосредственно из льда в пар при нагревании, хотя в очень низких местах могли временно наблюдаться эпизоды жидкой воды.3 Увеличение кислотности и перемещение жидкой воды преимущественно в подповерхностные, защищенные криосферой зоны 4 являются критическими факторами. Это предполагает, что любая широко распространенная, устойчивая жизнь в течение Гесперия, вероятно, приспособилась бы к этим подповерхностным, бескислородным и химически сложным средам, а не полагалась бы на поверхностный фотосинтез. Спорадические «катастрофические паводки» 3 указывают на временную доступность поверхностной воды, но не на стабильные, широко распространенные условия. Это убедительно свидетельствует в пользу хемолитоавтотрофных метаболизмов, которые используют градиенты химической энергии в подповерхностных условиях.
Эволюция климата и температурные диапазоны
Гесперий представляет собой период значительных климатических изменений, переходя от потенциально более теплого и влажного Ноя к засушливым, холодным условиям современного Марса.4 Скорость эрозии резко снизилась по мере высыхания планеты.3 Моделирование предполагает, что Марс переживал эпизодические теплые периоды, каждый продолжительностью 100 000 лет или более, в течение Нойской и Гесперийской эр.12 Эти потепления были вызваны гидратацией коры, которая обеспечивала достаточное количество водорода (H2) для накопления в атмосфере. Этот H2 в сочетании с CO2 мог создать мощный парниковый эффект.12 Температура поверхности в эти теплые периоды могла колебаться от 10 до 20 градусов Цельсия, но опускалась до суровых минус 57 градусов Цельсия во время холодных фаз.13 Эпизодические теплые периоды, вызванные H2 и CO2 12, имеют прямое отношение к выдвинутой гипотезе. Если гесперийские микробы развились, чтобы потреблять именно эти парниковые газы (H2 и CO2), они бы напрямую подорвали способность планеты удерживать тепло. Это создает мощную, самоуничтожающуюся обратную связь: рост микробов, потребляя ключевые атмосферные агенты потепления, мог ускорить охлаждение планеты, вынуждая жизнь отступать глубже в кору или сталкиваться с вымиранием.13 Это напрямую затрагивает аналогию с «кислородной катастрофой», показывая, как микробный метаболизм, даже если он полезен для самих организмов, мог иметь пагубное макроэкологическое воздействие.
Геологическая активность и особенности поверхности
Гесперий характеризуется широко распространенной вулканической активностью, включая извержения базальтовых потоков.4 Эта активность высвобождала большое количество SO2 и H2S в атмосферу.4 Квадрант Mare Tyrrhenum, типовая область для Гесперия, состоит из холмистых, изрезанных ветром равнин с обильными морщинистыми грядами, интерпретируемыми как базальтовые лавовые потоки.4 «Широко распространенная вулканическая активность» 4 является важным показателем внутренней планетарной тепловой и геохимической активности. Вулканизм обеспечивает постоянный источник восстановленных газов (например, H2S, а потенциально и H2 из взаимодействий воды и горных пород на глубине) и тепла, которые являются необходимыми источниками энергии для хемолитоавтотрофной жизни, особенно в подповерхностных средах, где отсутствует солнечный свет. Базальтовые потоки также указывают на источник богатых железом пород, которые могут подвергаться изменению (например, серпентинизации), что дополнительно генерирует доноры электронов. Этот геологический контекст обеспечивает необходимое «топливо» для предлагаемых микробных метаболизмов.
Ниже представлены ключевые параметры окружающей среды Гесперийского Марса, дающие представление о сложных, но потенциально пригодных для жизни условиях, которые могли бы поддерживать микробную активность.
Ключевые параметры окружающей среды Гесперийского Марса (приблизительные диапазоны)
Период времени
Промежуточный и переходный период, абсолютный возраст неопределен.4 Следует за Нойской эрой (4,1–3,5 млрд лет назад).1
Истончилось до нынешней плотности к позднему Гесперию.4 Ниже тройной точки воды.3 Ранний Гесперий потенциально 0,25–4 бар CO2, быстро истончающийся.5
Доминирующие атмосферные газы
CO2.7 Увеличение SO2, H2S из-за вулканизма.3 Возможно наличие H2, CH4.5
Жидкая вода локализована и кислая.4 Грунтовые воды замерзают, образуя криосферу, более глубокая жидкая вода.4 Спорадические катастрофические паводки.3 Вода переходит из льда в пар на поверхности.3
Диапазон температур поверхности
Переход от «более влажного и, возможно, более теплого» к «сухому, холодному и пыльному».4 Эпизодические теплые периоды (10–20°C), сменяющиеся суровым холодом (-57°C).13
Более кислая из-за образования H2SO4.3
Ключевая геологическая активность
Широко распространенная вулканическая активность, базальтовые потоки.4 Катастрофические паводки, огромные каналы стока.3
3. Геохимия Марса: Субстраты и источники энергии для микробной жизни
Понимание химического и минералогического состава Марса имеет фундаментальное значение для выявления потенциальных субстратов и источников энергии, которые могли бы поддерживать микробную жизнь, особенно хемолитоавтотрофные организмы, не зависящие от солнечного света.
Элементарный и минералогический состав марсианской коры и подповерхности
Марсианская кора в основном состоит из вулканических базальтовых пород под слоем мелкой пыли.16 Марс является дифференцированной планетой с центральным ядром (в основном из металлического железа и никеля) и менее плотной силикатной мантией и корой.14 Его ядро богаче серой, чем земное, а мантия примерно в два раза богаче железом.14 Отличительный красный цвет Марса обусловлен оксидами железа на его поверхности.14 Марсианская кора содержит более высокий процент летучих элементов, таких как сера и хлор, по сравнению с земной корой.14 Наиболее распространенными химическими элементами в марсианской коре являются кремний, кислород, железо, магний, алюминий, кальций и калий. Менее распространенные, но все же важные элементы включают титан, хром, марганец, серу, фосфор, натрий и хлор.14 Водород присутствует в виде водяного льда и в гидратированных минералах.14 Углерод существует в виде CO2 в атмосфере и иногда в виде сухого льда на полюсах, с неизвестным количеством, хранящимся в карбонатах.14 Молекулярный азот (N2) составляет 2,7% атмосферы.14 Бор, важный ингредиент для жизни на Земле, был обнаружен в кратере Гейла, что подтверждает возможную раннюю обитаемость региона.2 Следовые количества метана были обнаружены в марсианской атмосфере, с локализованными «десятикратными всплесками», наблюдаемыми марсоходом Curiosity.14 Недавние данные свидетельствуют о наличии радиоактивного магматического океана под корой Марса.14 Высокое содержание железа и серы 14 является критическим фактором для хемолитотрофной жизни. Способность железа существовать в нескольких степенях окисления (Fe2+/Fe3+) и широкий окислительно-восстановительный континуум серы (от -2 до +6) 17 обеспечивают богатый набор потенциальных доноров и акцепторов электронов. Это имеет первостепенное значение для метаболизмов, которые извлекают энергию из химических реакций. Присутствие воды (даже если она замерзшая или в гидратированных минералах) 14 обеспечивает среду для этих реакций. Обнаружение необходимых питательных веществ, таких как калий, фосфор и бор 2, дополнительно подтверждает химическую осуществимость жизни. Подповерхностный магматический океан 14 предполагает продолжающееся внутреннее тепло и потенциальную гидротермальную активность, создавая благоприятные ниши для термофильной или гипертермофильной жизни и стимулируя геохимические реакции, которые производят субстраты.
Потенциальные окислительно-восстановительные градиенты и источники энергии
Микробная жизнь в глубоких подповерхностных слоях Марса, скорее всего, зависела бы от анаэробных, хемосинтетических путей, движимых геохимическими источниками энергии.18 Эти источники энергии включают водород, серу, железо и углеродные соединения.18 Процессы, такие как радиолиз воды и окисление сульфидов, могут обеспечивать как сульфат, так и водород.18 Что крайне важно, гидротермальное изменение ультрамафических пород (богатых Fe(II) и Mg) посредством серпентинизации высвобождает H2 из воды.5 Этот H2 затем может реагировать с CO2 посредством реакции Сабатье с образованием метана.5 Считается, что серпентинизация на Марсе произвела значительно больше восстановительных газов, чем предполагалось ранее, из-за высокого содержания железа в марсианской коре.15 Потеря этих восстановительных газов и последующее окисление марсианской атмосферы теоретически могли бы привести к охлаждению климата.15 Непрерывная генерация H2 посредством серпентинизации 5 является ключевым фактором для рассматриваемой гипотезы. H2 — это мощный донор электронов и, что важно, парниковый газ. Его абиотическое производство обеспечивает готовый субстрат для метаболизмов, восстанавливающих CO2, таких как метаногенез и ацетогенез. Если микробы затем потребляют этот H2, они непосредственно используют геохимический источник энергии и одновременно удаляют ключевой атмосферный агент потепления. Это устанавливает четкую геохимическую основу для предлагаемого микробного воздействия на атмосферу, связывая внутренние процессы планеты с эволюцией ее атмосферы.
Ниже представлен подробный список основных химических элементов и минералов, обнаруженных на Марсе, а также их потенциальная роль в поддержании микробной жизни.
Основные химические элементы и минералы на Марсе, имеющие отношение к микробному метаболизму
Углерод (CO2, карбонаты, органические вещества)
Обилен в атмосфере (CO2), хранится в карбонатах.7
Источник углерода для автотрофов. 7
Водород (H2O, гидратированные минералы, H2)
Присутствует в виде водяного льда/гидратированных минералов.14 H2 из серпентинизации.5
Донор электронов для метаногенеза, ацетогенеза, сульфатредукции.
Кислород (O2, оксиды, H2O)
Окисленная атмосфера.19 Компонент воды, оксидов (Fe2O3, FeO(OH)H2).3
Акцептор электронов (если аэробный), компонент минералов.
Железо (Fe, оксиды Fe, сульфиды Fe, сульфаты Fe)
Кора в основном базальтовая.16 Мантия вдвое богаче земной.14 Красный цвет из-за оксидов железа.14 Сульфиды Fe (пирротит, пирит), сульфаты Fe (ярозит).17
Донор/акцептор электронов (Fe2+/Fe3+).
Сера (S, SO2, H2S, сульфаты, сульфиды)
Ядро богаче серой.14 Кора содержит больше летучей серы.14 Вулканические SO2, H2S.3 Планета, богатая S, сульфаты (Ca/Mg/Fe-сульфаты).17
Акцептор электронов (сульфатредукция), донор электронов (окисление серы).
Важное питательное вещество.
Питательное вещество в почве.16 Мантия богаче земной.14 Компонент ярозита.17
Важное питательное вещество.
Натрий (Na), Магний (Mg), Хлор (Cl)
Питательные вещества в почве.16 Mg – компонент минералов.14
Важные питательные вещества.
Обнаружен в кратере Гейла, необходим для жизни на Земле.2
Важное питательное вещество.
Ключевой элемент для секвестрации углерода.6
4. Микробный метаболизм: Пути потребления CO2
Для понимания того, как микробная жизнь могла повлиять на атмосферу Марса, необходимо рассмотреть типы метаболизма, способные фиксировать углекислый газ, особенно в условиях, характерных для Гесперийской эры.
Обзор автотрофных и анаэробных метаболизмов, фиксирующих CO2
Микроорганизмы могут метаболизировать углекислый газ (CO2) двумя основными способами: путем создания биосинтетических путей у естественно фиксирующих углерод организмов или путем превращения гетеротрофных штаммов в «синтетические автотрофные штаммы».20 Автотрофные организмы получают углерод для синтеза клеточной массы непосредственно из CO2.21 Хемолитоавтотрофы являются ключевой категорией, получающей энергию от окисления неорганических соединений и углерод от фиксации CO2.21 Примеры включают нитрифицирующие бактерии, сероокисляющие бактерии и железоокисляющие бактерии.21 Учитывая гесперийскую марсианскую среду (истощающаяся атмосфера, кислая вода, потенциальные подповерхностные ниши), анаэробные условия были бы преобладающими, что делает анаэробные пути фиксации CO2 весьма актуальными.18 По мере того как Марс переходил от потенциально «теплого и влажного» Ноя к «холодному и сухому» Гесперию, поверхностные условия становились все более враждебными для светозависимой жизни (фотосинтеза). Зависимость от химической энергии из неорганических соединений (хемолитотрофия) становится первостепенной. Кроме того, возрастающая засушливость и истончение атмосферы благоприятствовали бы анаэробным метаболизмам, особенно в защищенных подповерхностных средах. Это убедительно указывает на то, что если жизнь существенно влияла на атмосферу, то это происходило бы через хемолитоавтотрофные, анаэробные пути, а не через оксигенный фотосинтез, как это наблюдалось при ВКО на Земле.
Обсуждение циклов фиксации углерода
Цикл Кальвина-Бенсона-Бассама (ЦКБ) (Цикл Кальвина): Это наиболее распространенный цикл фиксации углерода на Земле, на который приходится 90% биологической фиксации углерода.22 Он встречается у растений, водорослей, цианобактерий и различных протеобактерий.22 Он потребляет АТФ и НАДФН и использует фермент RuBisCO для фиксации CO2 в сахара.22 Хотя он доминирует, он в основном связан с оксигенным фотосинтезом или аэробными условиями.23
Обратный цикл Кребса (оЦТК) (Восстановительный цикл лимонной кислоты): Альтернатива циклу ЦКБ, обнаруженная у строго анаэробных или микроаэробных бактерий (например, Aquificales) и анаэробных архей.22 Он обращает окислительный цикл ТКА для фиксации CO2.24
Восстановительный ацетил-КоА (путь Вуда-Льюнгдаля): Этот путь использует CO2 как акцептор электронов и источник углерода, а водород (H2) часто служит донором электронов для производства уксусной кислоты.22 Он широко распространен среди анаэробных бактерий (например, Clostridia) и архей (например, метаногенов), а также некоторых анаэробных хемолитоавтотрофов, таких как сульфатредуцирующие бактерии.22
Другие циклы: Другие менее распространенные пути включают 3-гидроксипропионатный [3-ГП] путь и связанные с ним циклы.22
Ключевое отличие для Марса заключается в доступности доноров и акцепторов электронов в бескислородной среде. Цикл ЦКБ, хотя и эффективен, с меньшей вероятностью был основным движущим фактором крупномасштабного потребления CO2 на Гесперийском Марсе из-за его связи с оксигенными или аэробными условиями. Обратный цикл ТКА и особенно путь Вуда-Льюнгдаля гораздо более совместимы с предлагаемой марсианской подповерхностной, анаэробной и геохимически обусловленной средой. Прямое использование CO2 в качестве акцептора электронов и H2 в качестве донора электронов в пути Вуда-Льюнгдаля делает его основным кандидатом, поскольку как CO2, так и H2, вероятно, были в изобилии.5 Этот путь непосредственно удаляет газообразный CO2 и превращает его в негазообразное органическое соединение (ацетат), обеспечивая прямой механизм секвестрации атмосферного углерода.
Сравнение с ранней жизнью на Земле и Великим кислородным событием (ВКО) как аналогом атмосферной трансформации
Ранняя атмосфера Земли была восстановительной, состоящей из углекислого газа, метана и водяного пара.9 ВКО, произошедшее примерно 2,46–2,06 миллиарда лет назад, ознаменовало резкое увеличение концентрации свободного кислорода в атмосфере Земли и мелководных морях.10 Это событие было в первую очередь вызвано эволюцией цианобактерий, которые осуществляли оксигенный фотосинтез, высвобождая O2 как побочный продукт фотолиза воды.9 По мере накопления кислорода он реагировал с атмосферным метаном (мощным парниковым газом) и вытеснял его, что привело к глобальному похолоданию и одному из самых ранних ледниковых периодов на Земле.9 ВКО также вызвало массовое вымирание многих анаэробных организмов, одновременно проложив путь для аэробного метаболизма.9 Экскурсия изотопов углерода Ломагунди (2,3-2,08 млрд лет назад) включала массовое захоронение органического углерода, которое служило значительным источником кислорода в атмосферу.25
Хотя выдвинутая гипотеза проводит прямую параллель с ВКО, крайне важно подчеркнуть фундаментальные различия в лежащей в основе биологии и химии. ВКО на Земле было вызвано производством кислорода (событие окисления), что привело к окислению метана и последующему изменению климата. Марсианская гипотеза, напротив, включает потребление CO2 (событие восстановления) анаэробными организмами. Однако следствие — значительное изменение состава атмосферы, ведущее к охлаждению климата и проблемам с обитаемостью, — поразительно аналогично. На Марсе, если бы микробы потребляли CO2 и H2 (оба парниковые газы), это привело бы непосредственно к охлаждению, подобно потере метана на Земле. Это различие жизненно важно для нюансированного понимания предлагаемого марсианского сценария.
