миссия, которая может изменить наше представление о Марсе | Наука

17 марта 2022 года был тяжелым днем ​​для Хорхе Ваго. Планетарная физика, Ваго возглавляет науку в рамках программы ExoMars Европейского космического агентства. Его команде оставалось всего несколько месяцев до запуска первого в Европе марсохода — цели, к которой они стремились почти два десятилетия. Но в тот день ЕКА приостановило связи с российским космическим агентством из-за вторжения в Украину. Запуск планировался с казахстанского космодрома Байконур, который передан в аренду России.

«Они сказали нам, что мы должны все отменить, — говорит Ваго. «Мы все горевали».

Это была болезненная неудача для осажденного марсохода Розалинд Франклин, первоначально одобренного в 2005 году. Проблемы с бюджетом, смена партнеров, технические проблемы и пандемия Covid-19, в свою очередь, вызвали предыдущие задержки. А теперь война. «Большую часть своей карьеры я потратил на то, чтобы сдвинуть эту штуку с мертвой точки, — говорит Ваго. Еще больше усложняло ситуацию то, что в состав миссии входили посадочный модуль и инструменты российского производства, для замены которых государствам-членам ЕКА потребуется финансирование. Они рассматривали множество вариантов, в том числе просто положить неиспользуемый вездеход в музей. Но затем, в ноябре, наступил спасательный круг, когда европейские министры исследований пообещали выделить 360 миллионов евро на покрытие расходов миссии, включая замену российских компонентов.

Мы надеемся, что когда марсоход, наконец, стартует в 2028 году, он будет нести набор передовых инструментов, но один из них, в частности, может оказать огромное научное влияние. Разработанный для анализа любого углеродсодержащего материала, обнаруженного под поверхностью Марса, масс-спектрометр нового поколения марсохода является стержнем стратегии, позволяющей наконец ответить на самый животрепещущий вопрос о Красной планете: есть ли доказательства прошлого или настоящего? жизнь?

«Существует множество различных способов поиска жизни», — говорит химик-аналитик Маршалл Ситон, научный сотрудник НАСА в Лаборатории реактивного движения и соавтор статьи о планетарный анализ в Ежегодный обзор аналитической химии. Возможно, самый очевидный и прямой путь — это просто поиск окаменелых микробов. Но неживая химия может создать обманчиво реалистичные структуры. Вместо этого масс-спектрометр поможет ученым искать молекулярные структуры, которые вряд ли могут быть сформированы в отсутствие живой биологии.

По словам Ситона, охота за образцами жизни, а не за структурами или конкретными молекулами, имеет дополнительное преимущество во внеземной среде. «Это позволяет нам искать не только жизнь, какой мы ее знаем, но и жизнь, какой мы ее не знаем».

Упаковка для Марса

В Центре космических полетов Годдарда НАСА за пределами Вашингтона, округ Колумбия, планетолог Уильям Бринкерхофф демонстрирует прототип масс-спектрометра марсохода, известного как анализатор органических молекул Марса или МОМА. Прибор размером примерно с ручную кладь представляет собой лабиринт из проводов и металла. «Это действительно рабочая лошадка», — говорит Бринкерхофф, пока его коллега, планетолог Сян Ли, регулирует винты на прототипе, прежде чем продемонстрировать карусель с образцами.

Этот рабочий прототип используется для анализа органических молекул в марсианских почвах на Земле. И как только настоящий МОМА доберется до Марса, примерно в 2030 году, Бринкерхофф и его коллеги будут использовать прототип, а также первоначальную копию, хранящуюся в марсианской среде в НАСА, для проверки корректировок экспериментальных протоколов и устранения возникающих проблем. во время миссии и облегчить интерпретацию марсианских данных.

Этот новейший масс-спектрометр может проследить свои корни почти 50 лет, до первой миссии, изучавшей марсианский грунт. Для двух посадочных модулей Viking 1976 года инженеры миниатюризировали масс-спектрометры размером с комнату, чтобы они примерно соответствовали размерам современных настольных принтеров. Инструменты также находились на борту посадочного модуля Phoenix 2008 года, марсохода Curiosity 2012 года и более поздних орбитальных аппаратов Марса из Китая, Индии и США.

Любой, кто посещает прототип Бринкерхоффа, должен сначала пройти мимо витрины с разобранной копией инструмента «Викинг», предоставленной Смитсоновским институтом. «Это как национальное достояние», — говорит Бринкерхофф, с энтузиазмом указывая на компоненты.

Масс-спектрометры являются незаменимыми инструментами, которые используются для аналитической химии в лабораториях и других учреждениях по всему миру. Агенты TSA используют их для проверки багажа на наличие взрывчатых веществ в аэропорту. Ученые EPA используют их для проверки питьевой воды на наличие загрязнителей. И производители лекарств используют их для определения химической структуры потенциальных новых лекарств.

Существует множество видов масс-спектрометров, но каждый «представляет собой прибор, состоящий из трех частей», — объясняет Девин Суинер, химик-аналитик фармацевтической компании Merck. Сначала прибор испаряет молекулы в газовую фазу, а также придает им электрический заряд. Затем этими заряженными или ионизированными молекулами газа можно управлять с помощью электрических или магнитных полей, чтобы они двигались через прибор.

Во-вторых, прибор сортирует ионы по измерению, которое ученые могут соотнести с молекулярной массой, чтобы они могли определить количество и тип атомов, содержащихся в молекуле. В-третьих, прибор записывает все «веса» в образце вместе с их относительным содержанием.

С МОМА на борту марсоход «Розалинда Франклин» приземлится на марсианском участке, где примерно 4 миллиарда лет назад, вероятно, была вода, важнейший компонент древней жизни. Камеры марсохода и другие инструменты помогут выбрать образцы и предоставить информацию об окружающей среде. Бур будет извлекать древние образцы с глубины до двух метров. Ученые предполагают, что этого достаточно, говорит Ваго, чтобы быть защищенным от космического излучения на Марсе, которое разбивает молекулы «как миллион маленьких ножей».

Космические масс-спектрометры должны быть прочными и легкими. Масс-спектрометр с возможностями MOMA обычно занимает несколько рабочих столов, но он существенно уменьшился. «Возможность взять что-то, что может быть размером с комнату, размером с тостер или небольшой чемодан, и отправить его в космос — это очень важно», — говорит Суинер.

Внешний вид жизни

MOMA поможет ученым искать явные признаки жизни на Марсе, просеивая молекулы в поисках закономерностей, которые вряд ли могли быть сформированы каким-либо другим способом. Например, липиды — соединения, которые включают строительные блоки клеточных мембран — имеют преобладание четного числа атомов углерода почти во всех живых существах, в то время как неживая химия производит более равное сочетание четного и нечетного числа атомов углерода. Обнаружение набора липидов с атомами углерода, кратными числу, а не случайным набором, является потенциальным признаком жизни.

Точно так же аминокислоты — строительные блоки белков — могут быть созданы либо жизнью, либо небиологической химией. Они бывают двух форм, которые являются зеркальным отражением друг друга, но в остальном идентичны, как левая и правая руки. На Земле жизнь в подавляющем большинстве состоит только из левых аминокислот. Неживая химия создает как левые, так и правые разновидности. Другими словами, большой избыток как левых, так и правых аминокислот более правдоподобен, чем более равномерная смесь.

В более общем плане ученые считают, что подобное химическое распределение указывает на жизнь, даже если молекулы, демонстрирующие закономерности, не существуют в биохимии Земли.

Предыдущие миссии на Марс, в которых использовались масс-спектрометры, столкнулись с проблемами, которые мешали их способности идентифицировать признаки жизни. Ученые извлекли эти с трудом заработанные уроки и разработали MOMA, чтобы преодолеть эти препятствия, в том числе одно из самых неприятных: пресловутый разрушитель молекул, перхлорат. Перхлорат, который также обнаруживается в экстремальных земных условиях, таких как Южная Америка. Пустыня Атакамамогут разлагать органические молекулы при высоких температурах, скрывая потенциальные признаки жизни.

В 2008 году посадочный модуль Mars Phoenix обнаружил ионы перхлората в марсианской почве. Две другие миссии, посадочный модуль «Викинг» и марсоход «Кьюриосити», обнаружили хлорированные углеводороды — возможные побочные продукты реакции перхлората с марсианскими молекулами в высокотемпературных печах их масс-спектрометров. Это означало, что перхлорат мог скрыть любые следы органических молекул, которые могли указывать на жизнь.

MOMA искусно решает проблему перхлоратов с помощью ультрафиолетового лазера. Лазер испаряет и ионизирует образцы за один разс импульсами света длительностью менее двух наносекунд — слишком быстро для реакции перхлората.

У лазера есть еще одно преимущество: он оставляет молекулы практически нетронутыми, когда дает им заряд для создания ионов. Viking и Curiosity генерировали ионы, бомбардируя их электронами. Эти столкновения не сохраняли слабые химические связи, которые могут быть важны для определения структуры молекул в образце, тогда как лазер сводит фрагментацию молекул к минимуму. Затем MOMA может сортировать эти относительно неповрежденные ионы и намеренно фрагментировать один интересующий ион изолированно, чего не могут сделать ни Viking, ни Curiosity. Анализируя получившиеся кусочки головоломки этого иона, можно определить химическую структуру исходной молекулы из марсианского образца и, таким образом, определить, что это такое.

Это будет первый раз, когда эта лазерная техника отправится на Марс, но тесты на Земле показывают, что она будет работать. По словам Бринкерхоффа, прототип обнаружил следы органических молекул даже в присутствии большего количества перхлората, чем Феникс обнаружил в марсианской почве. А в марсианских образцах, собранных в Йеллоустонском национальном парке, он обнаружил липиды и другие молекулы, более сложные, чем те, что были обнаружены в предыдущих марсианских миссиях.

МОМА, как и его предшественники, также имеет высокотемпературный печи и ученые все еще могут использовать их вместо лазера для испарения образцов. Например, если лазер выявляет намеки на аминокислоты, опция печи может предоставить информацию, которую лазер не может дать. В режиме печи MOMA использует три химических реагента, которые стабилизируют молекулы для облегчения масс-спектрометрии. Один из них, который никогда ранее не использовался на Марсе, предназначен для того, чтобы различать левосторонние и правосторонние аминокислоты, что позволяет ему обосновать живое или неживое происхождение так, как это было невозможно в предыдущих миссиях.

МОМА не будет последним словом о том, существовала ли когда-либо жизнь на Марсе. По словам Ваго, даже самые заманчивые результаты должны быть подтверждены повторными экспериментами и линиями доказательств, полученными с помощью других инструментов марсохода. Некоторая подтверждающая работа также может быть проведена с помощью других миссий или даже когда-нибудь путем анализа образцов Марса, доставленных на Землю. «Нам нужно будет построить дело, потому что иначе нам никто не поверит», — говорит Ваго.

Международная группа ученых, работавшая над миссией знает, что им нужно, чтобы построить это дело, но пока марсоход Розалинды Франклин не приземлится на поверхность Красной планеты, они не могут начать. Все эти ученые разделяли разочарование в марте 2022 года, когда долгожданная миссия снова была отложена.

Но для Бринкерхоффа это разочарование смешивается с волнением: в конце концов, миссия все еще жива. «Эта штука — лучшая из всех нас, — говорит он, — и просто увидеть, как она работает на Марсе, станет карьерным катарсисом».

Известный журнал является независимой журналистской инициативой от Annual Reviews.

Рекомендуемые видео