Поиск и исследование внеземных форм жизни

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Поиск и исследование внеземных форм жизни. Предмет и задачи

1.1 Критерии существования и поиска живых систем

1.1.1 О химической основе жизни

1.1.2 Общие динамические свойства живых систем

1.1.3 Роль света в поддержании жизни

1.2 Методы обнаружения внеземной жизни

1.3 АБЛ для экзобиологических исследований

2. Основы планетарного карантина

2.1 Методология планетарного карантина

2.1.1 Изучение влияния факторов космического полета на выживаемость

2.2 Нормы и рекомендации

2.2.1 Оценка уровня микробной обсемененности

2.2.1.1 Поверхностное загрязнение

2.2.1.2 Внутреннее загрязнение

2.2.2 Анализ источников загрязнения

2.3 Методы контроля за обсемененностью

2.3.1 Предупреждение загрязнения

2.3.1.1 Биологические барьеры

2.3.1.2 Профилактика загрязнения персоналом

2.3.2 Методы обеззараживания

2.3.2.1 Обработка дезинфицирующими средствами

2.3.2.2 Стерильность поверхности

2.3.2.3 Тепловая стерилизация

2.3.2.4 Терморадиация

2.3.2.5 Аутостерилизация

2.4 Методы контроля

3. Практический обзор поиска и исследований внеземных форм жизни

3.1 Луна

3.2 Венера

3.3 Марс

3.3.1 Температура

3.3.2 Атмосфера

3.3.3 Вода

3.3.4 Ультрафиолетовое излучение

3.4 Интересные наблюдения

3.5 Метеориты

3.6 Приборы для поиска

3.7 Случай с «Викингами»

3.8 Поиск внеземных цивилизаций

Выводы

Список использованной литературы

Дополнительно о проблемах жизни

внеземная жизнь космический карантин планетарный

1. Поиск и исследование внеземных форм жизни. Предмет и задачи

Определение жизни на других планетах, кроме Земли, является важной задачей для ученых, занимающихся вопросами возникновения и эволюции жизни. Наличие или отсутствие ее на планете оказывает существенное влияние на ее атмосферу и другие физические условия.

Исследования превращений в поверхностных слоях планет с учетом возможных результатов деятельности человека позволит уточнить наши представления о роли биологических процессов в прошлом и настоящем Земли.

С этой точки зрения результаты экзобиологических исследований могут быть полезными и в решении современных задач в области биологии.

Занос чужеродных форм жизни может также привести на Земле к самым неожиданным и трудно предугадываем последствиям.

Обнаружение жизни вне Земли, несомненно, имеет и большое значение для разработки фундаментальных проблем происхождения и сущности жизни.

Непосредственной целью предстоящих в ближайшем будущем экзобиологических экспериментов с помощью автоматических биологических лабораторий (АБЛ) является получение ответа на вопрос о наличии или отсутствии жизни (или ее признаков) на планете. Обнаружение внеземных форм жизни существенно усугубило бы наше понимание сущности жизненных процессов и явления жизни в целом. Отсутствие жизни на других планетах Солнечной системы, например, имело бы также большое значение, подчеркивая специфическую роль земных условий в процессах становления и эволюции живых форм.

Неясно, до какой степени внеземные формы могут быть сходными с нашими земными организмами по биохимическим основам их жизненных процессов.

При рассмотрении проблемы обнаружения внеземной жизни надо принимать во внимание разные этапы эволюции органического вещества и организмов, с которыми в принципе можно встретиться на других планетах. Например, в отношении Марса могут представиться различные возможности от обнаружения сложных органических соединений или продуктов абиогенного синтеза и до существования развитых форм жизни. На Марсе к настоящему времени закончилась только химическая эволюция, которая привела к абиогенному образованию (как это было в сове время на Земле) аминокислот, сахаров, жирных кислот, углеводов, возможно, белков, но жизнь как таковая на планете, видимо, отсутствует. Эти вещества в той или иной степени отличаются от аналогичных соединений, встречающихся на Земле.

Возможно, что на Марсе могут быть обнаружены: первичные протобиологические открытые системы, отделенные мембранами от окружающей среды (относительно простые примитивные формы жизни, аналогичные нашим микроорганизмам); более сложные формы, подобные нашим простым растениям и насекомым; следы существовавшей ранее или существующей и ныне жизни; остатки высокоразвитой жизни (цивилизации) и, наконец, можно констатировать полное отсутствие жизни на Марсе (более подробно проблема жизни на Марсе рассматривается выше).

В настоящей главе рассматриваются теоретические предпосылки, критерии существования жизни, предполагаемые методы обнаружения живых систем на других планетах.

1.1 Критерии существования и поиска живых систем

Наши представления о сущности жизни основаны на данных по исследованию жизненных явлений на Земле. В то же время решение проблемы поиска жизни на других планетах предполагает достоверную идентификацию жизненных явлений в условиях, существенно отличных от земных. Следовательно, теоретические методы и существующие приборы для обнаружения жизни должны основываться на системе научных критериев и признаков, присущих явлению жизни в целом.

Можно считать, что ряд фундаментальных свойств живых систем земного происхождения действительно имеет ряд общих свойств, и поэтому эти свойства, несомненно, должны характеризовать и внеземные организмы. Сюда можно отнести такие хорошо известные биологам и наиболее характерные признаки живого, как способность организмов реагировать на изменение внешних условий, метаболизм, рост, развитие, размножение организмов, наследственность и изменчивость, процесс эволюции.

Не будет сомнения в принадлежности к живым системам неизвестного объекта при обнаружении у него перечисленных признаков. Но реакция на внешнее раздражение присуща и неживым системам, изменяющим свое физическое и химическое состояние под влиянием внешних воздействий. Способность к росту свойственна кристаллам, а обмен энергией и веществом с внешней средой характерен для открытых химических систем. Поиски внеземной жизни должны поэтому основываться на применении совокупности разных критериев существования и методов обнаружения живых форм. Такой подход должен повысить вероятность и достоверность обнаружения инопланетной жизни.

1.1.1 О химической основе жизни

Исследования последних лет показали возможность синтеза разнообразных биологически важных веществ из простых исходных соединений типа аммиака, метана, паров воды, входивших в состав первичной атмосферы Земли.

В лабораторных условиях в качестве необходимой для такого синтеза энергии используется ионизирующая радиация, электрические разряды, ультрафиолетовый свет. Таким путем были получены аминокислоты, органические кислоты, сахара, нуклеотиды, нуклеозидфоссфаты, липиды, вещества порфириновой природы и целый ряд других. По-видимому, можно считать установленным, что большинство характерных для жизни молекул произошло на Земле абиогенным путем и, что еще важнее, их синтез может происходить и сейчас в условиях других планет без участия живых систем.

Следовательно, само наличие сложных органических веществ на других планетах не может служить достаточным признаком наличия жизни. Примером в этом отношении могут быть углеродистые хондриты метеоритного происхождения, в которых содержится до 5-7% органического вещества (более подробно о хондритах ниже).

Наиболее характерная черта химического состава живых систем земного происхождения заключается в том, что все они включают углерод. Этот элемент образует молекулярные цепочки, на основе которых построены все главные биоорганические соединения, и прежде всего белки и нуклеиновые кислоты, а биологическим растворителем служит вода. Таким образом, единственная известная нам жизнь, ее основа углеродоорганическая белково - нуклеиновая - водная. В литературе обсуждается вопрос о возможности построения живых систем на другой органической основе, когда, например, вместо углерода в скелет органических молекул включается кремний, а роль воды как биологического растворителя выполняет аммиак. Такого рода теоретическую возможность практически было бы очень трудно учесть при выборе методов обнаружения и конструирования соответствующей аппаратуры, поскольку наши научные представления о жизни основаны только на изучении свойств земных организмов.

Роль и значение воды в жизнедеятельности организмов также широко обсуждается в связи с возможной заменой аммиаком или другими жидкостями, кипящими при низких температурах (сероводород, фтористый водород). Действительно, вода обладает рядом свойств, обеспечивающих ее роль в качестве биологического растворителя. Сюда относятся амфотерный характер воды и ее способность к самодиссоциации на катион Н+ и анион ОН-, высокий дипольный момент и диэлектрическая постоянная, малая вязкость, высокие удельная теплоемкость и скрытая теплота превращения, предохраняющие организмы от быстрых изменений температуры. Кроме того, роль воды в биологических системах включает факторы стабилизации макромолекул, которые обеспечиваются общими структурными особенностями воды.

В целом можно считать, что углеродоорганическая - водная химическая основа жизни является общим признаком живых систем.

Характерным признаком структурной организации живых систем является одновременное включение в их состав, помимо основных химических элементов С, Н, О, N, целого ряда других, и прежде всего серы и фосфора. Это свойство может рассматриваться в качестве необходимого признака существования живой материи. Специфичность живой материи, не смотря на все это, нельзя сводить лишь к особенностям физико - химического характера ее основных составных элементов - структурных единиц живого, имеющих абиогенное происхождение.

1.1.2 Общие динамические свойства живых систем

В качестве исходных представлений при интерпретации экзобиологических экспериментов необходимо принимать во внимание динамические свойства живых систем. Развитие и эволюция биологических систем шли в основном по пути совершенствование форм взаимодействия между элементами и способов регуляции состояния системы в целом. Жизнь неразрывно связана с существование открытых систем, свойства которых во многом зависят от соотношения скоростей процессов обмена энергией и массой с окружающей средой.

Результаты исследования динамических свойств открытых систем методами математического моделирования позволили объяснить целый ряд их характерных черт, в частности установление в системе при сохранении постоянных внешних условий стационарного колебательного режима, который наблюдается на разных уровнях биологической организации. Это свойство является важным признаком высокой степени организации системы, что в свою очередь можно рассматривать как необходимые условия жизни.

1.1.3 Роль света в поддержании жизни

Важным аспектом проблемы внеземной жизни является необходимость внешнего притока энергии для ее развития. Солнечный свет, главным образом в ультрафиолетовой области спектра, играл существенную роль в процессах абиогенного синтеза необходимым притоком свободной энергии, но заключалось также и в фотохимическом ускорении дальнейших превращений. Жизнедеятельность первичных живых систем также могла во многом определяться фотохимическими реакциями входящих в их состав соединений. Многие организмы, не имеющие прямого отношения к современному фотосинтезу, тем не менее изменяют свою активность при освещении. Так, явление фотореактивации клеток организмов видимым светом после поражающего действия ультрафиолетовых лучей, очевидно, является в эволюционном отношении древним процессом, возникшим в то время, когда первичные живые системы выработали механизмы защиты от деструктивного действия падавшего на Землю ультрафиолетового света.

Следует отметить, что свет мог и не являться единственным источником энергии на ранних этапах эволюции органических соединений. Эту роль могла выполнять и химическая энергия, освобождаемая, например, в реакциях конденсации в неорганический полифосфат или в реакциях окисления, впоследствии составивших энергетическую основу хемосинтеза. Однако в целом жизнь для своего возникновения и развития требует, очевидно, постоянного внешнего притока свободной энергии, роль которого на Земле и выполняет солнечный свет. Поэтому свет и играет важную роль на всех этапах эволюции жизни, начиная с абиотического синтеза первичных живых систем и кончая современным фотосинтезом, обеспечивающим образования органических веществ на Земле.

Очевидно, существование фотосинтеза в той или иной форме как процесса полезной утилизации энергии в биологических системах является важным критерием существования развитой жизни.

Можно заключить, что независимо от конкретной химической структуры фотосинтетического аппарата общим свойством фотобиологических процессов утилизации световой энергии является наличие такой последовательности реакций: поглощение света и возбуждение молекул пигментов - делокализация электрона (дырки) - перенос электрона (дырки) по открытой цепи окислительно - восстановительных соединений - образование конечных продуктов с запасанием в них энергии света. Существование такой фотосинтетической цепи является общим для большинства фотобиологических процессов и может рассматриваться в качестве необходимого условия существования жизни.

Можно выдвинуть общие принципы, которыми следует руководствоваться при определении критериев существования и поиска внеземной жизни.

Основным свойством живой материи является ее существование в виде открытых самовоспроизводящихся систем, которые обладают структурами для сбора, хранения, передачи и использования информации.

Углеродосодержащие органические соединения и вода как растворитель составляют химическую основу жизни.

Необходимым условием жизни является утилизация энергии света, ибо прочие источники энергии обладают на несколько порядков меньшей мощностью.

В живых системах протекают сопряженные химические процессы, в которых происходит передача энергии.

В биологических системах могут преобладать асимметрические молекулы, осуществляющие оптическое вращение.

Различные организмы, существующие на планете, должны обладать рядом сходных основных черт.

1.2 Методы обнаружения внеземной жизни

Как уже говорилось, наиболее сильным доказательством присутствия жизни на планете будет, конечно, рост и развитие живых существ. Поэтому, когда сравниваются и оцениваются различные методы обнаружения жизни вне Земли, преимущество отдается тем методам, которые позволяют с достоверностью установить размножение клеток. А поскольку наиболее распространенными в природе являются микроорганизмы, при поиске жизни вне Земли прежде всего следует искать микроорганизмы. Микроорганизмы на других планетах могут находиться в грунте, почве или атмосфере, поэтому разрабатываются различные способы взятия проб для анализов. В одном из таких приборов - «Гулливере» - предложено остроумное приспособление для взятие пробы для посева. По окружности прибора расположено три небольших цилиндрических снаряда, к каждому снаряду прикреплена липкая силиконовая нить. Взрыв пиропатронов отбрасывает снаряды на несколько метров от прибора. Затем силиконовая нить наматывается и, погружаясь при этом в питательную среду, заражает ее частицами прилипшего к ней грунта.

Размножение организмов в питательной среде может быть установлено с помощью различных автоматических устройств, одновременно регистрирующих нарастание мутности среды (нефелометрия), изменение реакции питательной среды (потенционометрия), нарастание давления в сосуде за счет выделяющегося газа (манометрия).

Очень изящный и точный способ основан на том, что в питательную среду добавляют органические вещества (углеводы, органические кислоты и другие), содержащие меченный углерод.

Размножающиеся микроорганизмы будут разлагать эти вещества, а количество выделившегося в виде углекислоты радиоактивного углерода определит миниатюрный счетчик, прикрепленный к прибору. Если питательная среды будет содержать различные вещества с меченным углеродом (например, глюкозу и белок), то по количеству выделившейся углекислоты можно составить ориентировочное представление о физиологии размножающихся микроорганизмов.

Чем больше разнообразных методов будет использовано для выявления обмена веществ у размножающихся микроорганизмов, тем больше шансов получить достоверные сведения, так как некоторые методы могут подвести, дать ошибочные данные. Например, питательная среда может помутнеть и от попавшей в нее пыли (как, возможно, было с «Викингами» в 1976 г., см. выше). Когда клетки микроорганизмов размножаются, интенсивность всех регистрируемых и передаваемых на Землю показателей непрерывно нарастает. Динамика всех этих процессов хорошо известна, а она надежный критерий действительного роста и размножения клеток. Наконец, на борту автоматической станции может быть два контейнера с питательной средой, и как только в них начинается нарастание изменений, в один из них автоматически будет добавлено сильнодействующее ядовитое вещество, полностью прекращающее рост. Продолжающееся изменение показателей в другом контейнере будет надежным доказательством биогенного характера наблюдаемых процессов.

Конструируемые приборы не должны быть чрезмерно чувствительными, так как перспективы «открыть» жизнь там, где ее нет весьма неприятна.

С другой стороны, прибор не должен дать отрицательный ответ, если жизнь действительно существует на исследуемой планете. Именно поэтому надежность и чувствительность предполагаемой аппаратуры усиленно обсуждается и уже претворяется в жизнь.

Хотя размножение микроорганизмов и является единственным бесспорным признаком жизни, это не значит, что не существует иных приемов, позволяющих получить ценную информацию. Некоторые краски, соединяясь с органическими веществами, дают комплексы, легко обнаруживаемые, так как они обладают способностью к адсобции волн строго определенной длины. Один из предложенных методов основан на применении масс - спектрометра, который устанавливает обмен изотопа кислорода О18, происходящий под влиянием ферментов микробов у таких соединений, как сульфаты, нитраты или фосфаты. Особенно хорошо и, главное, разнообразно применение люминесценции. С ее помощью не только констатируют энзиматическую активность, но при применении некоторых люминофоров возможно свечение ДНК, содержащейся в клетках бактерий.

Следующий этап в исследованиях - применение портативного микроскопа, снабженного поисковым устройством, способным отыскивать в поле зрения отдельные клетки.

Обсуждается также возможность использования электронного микроскопа для изучения структурных элементов микробной клетки, не видимых в оптический микроскоп. Применение электронного микроскопа в сочетании с портативным может чрезвычайно расширить возможности морфологических исследований, что, как мы знаем из современной биологии, особенно важно для изучения внутренней молекулярной структуры составных элементов живого. Важной электронной особенностью является возможность сочетания ее с телевизионной техникой, поскольку они имеют общие элементы (источник электронов, электромагнитные фокусирующие линзы, видиконы).

Специальные устройства будут передавать на Землю (в общем этот принцип уже использовался на практике) видимые микроскопические картины. Здесь уместно отметить, что в задачи экзобиологии входит обнаружение не только существующей теперь жизни, но также палеобиологические исследования. АБЛ должна уметь обнаружить возможные следы бывшей жизни. В методическом отношении эта задача будет облегчена применением микроскопов с различным увеличением.

Самым сложным вопросом в методическом отношении будет возможность существования форм жизни, более просто организованных, чем микроорганизмы. Действительно, эти находки, вероятно, представят гораздо больший интерес для решения проблемы возникновения жизни, чем обнаружение таких относительно живых существ, как микроорганизмы.

В методическом отношении экзобиология находится в более трудном положении (несмотря на небольшой опыт запусков АБЛ), чем другие дисциплины, изучающие планеты с других точек зрения. Эти дисциплины имеют возможность изучать планеты на расстоянии с помощью различных физических методов и получать очень ценную информацию о свойствах планет.

До сих пор мало методов, позволяющих аналогичным образом получить сведения о внеземной жизни. Для этого АБЛ должна находиться на поверхности планеты. Мы приближаемся к такой возможности. И трудно будет переоценить значение тех данных, которые мы тогда получим.

В заключение можно условно разделить все методы на три группы:

Дистанционные методы наблюдения определяют общую обстановку на планете с точки зрения наличия признаков жизни. Дистанционные методы связаны с использованием техники и приборов, расположенных как на Земле, так и на космических кораблях и искусственных спутниках планеты.

Аналогичные методы призваны произвести непосредственный физико - химический анализ свойств грунта и атмосферы на планете при посадке АБЛ. Применение аналитических методов должно дать ответ на вопрос о принципиальной возможности существование жизни.

Функциональные методы предназначаются для непосредственного обнаружения и изучения основных признаков живого в исследуемом образце. С их помощью предполагается ответить на вопрос о наличии роста и размножения, метаболизма, способности усвоения питательных веществ и других характерных признаков жизни.

1.3 АБЛ для экзобиологических исследований

Хотя о пилотируемых полетах на другую планету в данное время вопрос не стоит (где человек уже вплотную визуально смог бы провести исследования), АБЛ вполне (хотя и не полностью) могут уже заменить человека сегодня: рассмотренные методы обнаружения жизни вполне осуществимы в настоящее время с технической точки зрения. Именно с их помощью можно рассчитывать не только на обнаружение инопланетных живых форм, но и на получение их определенных характеристик.

Однако очевидно, что в отдельности ни одни из предложенных методов обнаружения не дает данных, допускающих однозначную интерпретацию с точки зрения наличия жизни.

Это отличается от методических экспериментов, предназначенных для измерения тех или иных физических параметров других небесных тел или межпланетного пространства.

Многое показывает, что единственным подходом в проведении экзобиологических исследований является создание АБЛ, в которой отдельные методы по обнаружению жизни могли бы конструктивно объединены, а их применение регламентировано единой программой функционирования АБЛ.

В настоящее время технически неосуществимо создание таких АБЛ, в которых были бы представлены все известные методы обнаружения. Поэтому в зависимости от конкретных целей, сроков запуска и времени жизни космических станций на поверхности планеты конструкции АБЛ имеют различный приборный состав (рис. 1)

Пока еще биологические лаборатории предназначены для ответа на основной вопрос о самом существовании жизни, и поэтому все предлагаемые проекты АБЛ имеют целый ряд общих черт. В конструктивном отношении АБЛ должна иметь собственное заборное устройство или обеспечиваться образцами за счет заборного устройства, общего для всей космической станции, частью которой является АБЛ. После забора образца он поступает в дозатор распределитель, а затем в инкубационное отделение, где при определенной температуре и освещении происходит выращивание микрофлоры и обогащение материала образца. Эти процессы можно вести в различных режимах, начиная от полного сохранения первоначальных планетных условий и кончая созданием температуры, давления и влажности, близких к земным

В связи с этим в конструкции АБЛ предусматривается существование систем, наполняющих емкости под определенным давлением, систему вакуумных клапанов для отделения АБЛ от наружной атмосферы после забора пробы.

Необходимым элементом является и устройство для поддержания определенной температуры как в блоке выращивания микроорганизмов, так и непосредственно в измерительной ячейке, где производится снятие оптических параметров образца.

Через определенный промежутки времени, по мере развития микрофлоры, материал образца в твердом и растворенном виде анализируется с помощью функциональных, а также некоторых аналитических методов. При этом предполагается, что информация о наличии на планете общих предпосылок для существования жизни (температура, состав атмосферы, присутствие органических веществ) должна быть получена с помощью дистанционных и аналитических методов.

Трудно переоценить тот вклад, который будет сделан в случае обнаружения инопланетных форм жизни. Однако отсутствие жизни на планетах Солнечной системы не исключает развития экзобиологии как науки, как не является препятствием на пути дальнейшего совершенствования методов автоматического обнаружения и снятия характеристик живых систем. Результаты этой области, являющейся частью биологического приборостроения, несомненно, найдут широкое применение как в современной биологической науке, так и в других областях человеческой деятельности, не говоря уже о задачах освоения космического пространства и необходимости в связи с этим автоматического контроля за состоянием живых систем в этих условиях.

2. Основы планетарного карантина

Еще с древних времен человечество привлекала перспектива открытия и изучения внеземных форм жизни. Теперь, когда исследование космического пространства стало обыденностью, обнаружение инопланетной жизни или установление ее предшественников является одной из важных целей национальных программ исследований планет многих стран.

Однако успешному исследованию космического пространства угрожает возможность заноса человеком при полете от одной планеты к другой инопланетных форм жизни, что может привести к самым неожиданным последствиям. Занесение и размножение земных форм жизни может уничтожить раз и навсегда благоприятную возможность изучить планеты в присущих им условиях. Планетарный карантин осуществляется для сохранения этой возможности.

В настоящее время осуществление планетарного карантина необходимо по трем причинам:

Земная микрофлора, занесенная на планету автоматическими аппаратами или пилотируемыми космическими кораблями, может размножатся и распространяться на ней, что станет препятствием для дальнейших исследований и замаскирует или совсем разрушит жизнь, характерную для данной планеты. Природные условия при этом могут так изменяться, что эта планета уже не будет представлять значительного научного интереса для последующих поколений.

Автоматический космический аппарат, предназначенный для определения признаков жизни на планете, не должен быть загрязнен земной микрофлорой; в противном случае приборы будут обнаруживать в первую очередь земную микрофлору, а не внеземную.

Земля может быть загрязнена опасными для нее организмами или веществами, занесенными с другой планеты или из космического пространства.

Хотя упомянутые причины, обуславливающие необходимость осуществления карантина, в основном связаны с микроорганизмами как наиболее простым источником заражения в силу того, что они обладают способностью выдерживать воздействие экстремальных факторов окружающей среды и быстро размножаться, интересы науки в области внеземной жизни не ограничиваются только этими живыми формами. Например, обнаружение органических молекул, которые могут быть предшественниками жизни или ее остатками, представляло бы огромную научную значимость.

Одним из наиболее ярких примеров успешного проведения планетарного карантина было проведение карантина при пилотируемых полетах на Луну. Лунная приемная лаборатория обеспечила карантин возвратившихся космонавтов и проб лунного грунта. По мере накопления информации об условиях на Марсе определяется целесообразность изоляции и обеззараживания кораблей, которые будут совершать полеты на эту планету. Поэтому при составлении программы таких полетов надо исходить из необходимости предупреждения загрязнения Земли внеземными формами жизни. Методы такого карантина существенно отличаются от метод предупреждения загрязнения других планет земными организмами.

Один из возможных приемов предотвращения заражения для непилотируемых кораблей включает предварительное исследование возвращаемых образцов на околоземной орбите. Карантин снимается, и образцы доставляются на Землю только в случае, если тесты на биологическую активность окажутся отрицательными.

Другой возможный прием заключается в инкапсуляции возвращаемых образцов до приземления, карантин должен соблюдаться в течение всего периода исследования образцов на Земле.

В настоящее время существуют и действуют ряд национальных и международных программ по проблеме планетарного карантина (их описание не входит в цель данной работы). Специально для этого был образован в октябре 1958 г. Комитет космических исследований (КОСПАР). Он взял на себя ответственность за изучение проблемы загрязнения и принял ряд резолюций, определяющих цели планетарного карантина для государств, осуществляющих запуски космических кораблей. В резолюции КОСПАР от 1964 г. был впервые определен допустимый предел загрязнения космических аппаратов (10-3 - один микроорганизм на тысячу полетов).

2.1 Методология планетарного карантина

Основные требования, предъявляемые планетарным карантином (ПК) к космическим полетам, заключается в максимальном снижении вероятности загрязнения планеты и научных приборов, находящихся на борту космического корабля. Эти требования надо учитывать при изготовлении космических кораблей и аппаратуры, а также при выборе траектории полета. Так как космический корабль и его аппаратура должны быть абсолютно надежны, чтобы обеспечить успешное осуществление полетов, большое внимание следует уделять выбору карантинных средств, применение которых не отразится на успехе полета.

2.1.1 Изучение влияния факторов космического полета на выживаемость

В экспериментах, имитирующих условия космоса, показано, что космическая среда менее губительна для микроорганизмов, чем для других, более сложных форм жизни.

Учеными России и США проводятся эксперименты с различными видами микроорганизмов в условиях, имитирующих физические параметры Марса, Венеры и Луны. При параметрах среды, близких к марсианским (перепад температуры от -60 до +26оС, атмосферное давление 7 мм. рт. ст., газовый состав 80 % углекислого газа и 20 % азота) некоторые пустынные микроорганизмы сохраняли способность к росту при относительной влажности, равной 3.8 %. Очевидно, для этих земных форм жизни достаточно осень незначительное количество влаги.

В одних экспериментах по имитации условий космического пространства (проводимых в СССР) обнаружено, что некоторые микроорганизмы и энзимы устойчивы к действию вакуума порядка 10-10 мм. рт. ст. Другие исследования выявили способность микроорганизмов сохраняться в условиях вакуума.

Ионизирующая космическая радиация, за исключением излучений солнечных вспышек и радиационных поясов земли, не может рассматриваться как инактивирующий фактор; неясно, может ли эта радиация уничтожить живые формы, расположенные на поверхности космического аппарата. Известно, например, что обитающие в воде атомных реакторов организмы адаптируются к радиации в 1 млн. р.

Наиболее губительным фактором космического пространства являются ультрафиолетовые лучи. В таблице указаны дозы, необходимые для 80 - 100 % - й инактивации незащищенных микроорганизмов (приведенные данные взяты из экспериментов, проводившихся в СНГ, России и США). Однако, благодаря высокой степени отражения, поток ультрафиолетовой радиации легко экранируется пылью или другим непрозрачным материалом (например, верхний слой микроорганизмов может защитить нижележащие клетки.

Не так давно проведен анализ выживаемости микроорганизмов при входе в атмосферу Юпитера. Предполагается сильный нагрев поверхности капсулы и вероятное ее сгорание, вызванное высокой плотностью атмосферы и траекторией полета аппарата, которая обуславливает высокие скорости при входе в атмосферу. Закончены исследования, дающие точную оценку вероятности выживания на поверхности планеты микроорганизмов, сохранившимся на посадочной капсуле или внутри ее.

2.2 Нормы и рекомендации

2.2.1 Оценка уровня микробной обсемененности

Определение числа микроорганизмов может быть осуществлено либо путем прямых исследований (например, при поверхности загрязнении), либо путем расчета в случаях невозможности непосредственного взятия пробы без разрушения космического аппарата.

2.2.1.1 Поверхностное загрязнение

Точность подсчета числа микроорганизмов на поверхности космического аппарата зависит оп ряда факторов. Поверхность космического аппарата составлена их самых разнообразных материалов, некоторые из которых являются ингибиторами роста микроорганизмов. Обследование металлической поверхности сводится к взятию с нее микробиологической пробы с последующим посевом на питательную среду.

2.2.1.2 Внутреннее загрязнение

Микроорганизмы, расположенные между двумя поверхностями или инкапсулированные внутри какого - либо материала, обычно недоступны для прямого исследования; уровень загрязнения в этих случаях может быть определен только косвенным путем. Исследование проводится во время сборки аппарата, когда соприкасающиеся в будущем поверхности открыты и доступны для исследования.

2.2.2 Анализ источников загрязнения

Анализ возможных источников загрязнения применительно к конкретным полетам проводится для обоснования необходимости контроля за предполагаемым загрязнением планеты и выбора надлежащих средств.

Для определения вероятности загрязнения планеты необходимо:

Идентифицировать все возможные источники загрязнения, связанные с данным полетом.

Определить уровень обсемененности каждого такого источника.

Определить уровень обсемененности космического аппарата во время запуска.

Определить уровень обсемененности частей аппаратуры, которые достигнут поверхности планеты.

Выяснить, какая часть микроорганизмов выживет при действий факторов космического пространства во время полета и достигнет планеты.

2.3 Методы контроля за обсемененностью

Выполнение задач карантинных мероприятий возможно при осуществлении мер, принятых для контроля за уровнем загрязнения космического аппарата и при обеспечении его надежности, позволяющей свести к минимуму вероятность случайного загрязнения. На основе анализа источников загрязнения разрабатываются методы контроля за загрязнением, включающие определение уровня микробиологической обсемененности в течение основных этапов сборки. Эти данные могут быть положены в основу мероприятий по контролю для каждого этапа сборки.

2.3.1 Предупреждение загрязнения

Предупреждение загрязнения включает изучение потенциальных источников загрязнения космических аппаратов и использование барьеров для их защиты.

2.3.1.1 Биологические барьеры

Цель биологического барьера - сохранить количество микроорганизмов внутри замкнутого объема на возможно более низком уровне. Это может быть достигнуто использованием воздушного потока в биологически чистом помещении или с помощью жесткого микробиологического фильтра. Использование чистых помещений уменьшает или исключает микробную загрязненность открытых поверхностей и оборудование, что увеличивает вероятность успешного проведения обеззараживания.

2.3.1.2 Профилактика загрязнения персоналом

Основным источником микроорганизмов при сборке космического аппарата является персонал, связанный с процессом производства. Известно, что поверхность кожи человека - благодатная почва для выживания и роста микроорганизмов.

В настоящее время неизвестен ни один метод стерилизации кожи. Так как бактерии постоянно удаляются с кожи, механический барьер, такой, например, как резиновые перчатки, в сочетании с бактерицидными мылами, очевидно, является лучшим методом ограничения или предохранения переноса микроорганизмов с кожи на оборудование космического аппарата.

2.3.2 Методы обеззараживания

В настоящее время разработано много методов снижения уровня микробного загрязнения космического аппарата и его элементов. Хотя они и не идеальны, некоторые из них используются с успехом в настоящее время, другие являются перспективными в будущем. Эксперименты показывают, что более высокая степень стерильности может быть достигнута при использовании этих приемов для гладких поверхностей. При шероховатых поверхностях выживаемость микроорганизмов остается значительной.

2.3.2.1 Обработка дезинфицирующими средствами

Дезинфицирующая обработка заключается в промывке доступных поверхностей компонентов космического аппарата такими дезинфицирующими веществами как этиловый спирт, изопропиловый спирт, формальдегид с метаном и перекись водорода.

2.3.2.2 Стерильность поверхности

Поверхность стерилизуется химическими средствами (окись этилена, бромистый метил, формальдегид) и с помощью радиации без прямого контакта с поверхностью (лазерные лучи, ультрафиолетовая ионизирующая радиация и плазма).

2.3.2.3 Тепловая стерилизация

Так как земные микроорганизмы чувствительны к высоким температурам, то автоклавирование - обычный процесс, широко применяемый в промышленности и в процессе приготовления пищи. При этом в качестве активного начала используется пар или сухой горячий воздух. Тепловая инактивация микроорганизмов происходит как более сложный процесс в сравнении с ниже приведенной логарифмической моделью (надо учитывать еще водный режим, сложность микробной популяции и ее равновесные свойства). Простая логарифмическая модель, используемая для определения параметров системы, выражает процесс разрушения микроорганизмов как функцию времени и температуры:

где - начальная микробная популяция, - время, необходимое для уменьшения популяции на 90 % при температуре Т и температурном коэффициенте

, - средняя величина популяции в течение времени нагревания.

Другими факторами, определяющими эффективность процесса тепловой стерилизации, являются термодинамические характеристики космического аппарата, температура окружающей среды, число подлежащих стерилизации микроорганизмов и характер распределения микроорганизмов по поверхности аппарата.

2.3.2.4 Терморадиация

Сочетание тепловой стерилизации и радиации во время сборки космического аппарата имеет преимущества, поскольку компоненты аппарата подвергаются воздействию меньших температур, чем только при одной тепловой стерилизации, и меньшей радиации, чем во время одного только облучения.

2.3.2.5 Аутостерилизация

Самостерилизующийся материал содержит ингредиенты, токсичные для бактерий. При стерилизации космического аппарата очень часто возникают трудности, связанные с тем, что определенные материалы не могут выдержать обеспечивающие необходимую стерильность дозы радиации или температуры. В связи с этим самостерилизующиеся материалы значительно интересны для целей космических полетов, что следует иметь ввиду при выборе материалов для космических полетов.

2.4 Методы контроля

Успех мероприятий по борьбе с загрязнением определяется количеством микроорганизмов, особенно бактериальных спор, оставшихся внутри и на поверхности космического аппарата. Хотя этот критерий применяется и в других областях, стерилизация космических аппаратов представляет проблему уникального плана. На космическом аппарате нельзя взять большое количество проб на стерильность, так как увеличение числа проб может привести к загрязнению и нарушению конструкции. Методы выявления аэробных и анаэробных микроорганизмов и спор приведены на рис.

Большинство методов выявления спор включает нагревание микробной суспензии до высева на среды. Эта процедура называется тепловой обработкой.

Методика определения анаэробных микроорганизмов такая же, как и для выявления аэробных, за исключением того, что культуры инкубируются в первом случае в строго анаэробных условиях. Однако исследования показали, что строгие анаэробы на космическом аппарате встречаются в очень небольших количествах (следовательно, используются редко).

В соответствии полетного проекта требованиям ПК дает возможность каждому государству, осуществляющему космические полеты, заверить соответствующие организации, что биологический карантин соблюдается и что в результате этих полетов планеты будут сохранены как биологические заповедники для дальнейших научных исследований. Только при соблюдении самых строгих мер, какими сложными они не были, планеты будут оставаться нетронутыми в ожидании будущих исследований. До того времени, когда человек высадится на эти планеты и сможет использовать в своих нуждах. Но это будет при условиях, когда человечество сможет продолжать изучение космического пространства с уверенностью, что не существует угрозы необратимого загрязнения планет, то есть до времени, пока результаты исследований космического пространства не подтвердят возможности снятия карантина.

3. Практический обзор поиска и исследований внеземных форм жизни

В предыдущих главах рассмотрены теоретические аспекты проблемы поиска и исследований внеземных форм жизни, теперь рассмотрим практическое решение этого вопроса. Хотя с момента полета первого человека в космос не прошло и 35 лет, но у ученых появилось столько новой информации о телах Солнечной системы, сколько ее не было за века исследований до этого, причем во много раз больше. Поток такой информации связан с наличием у современной науки таких помощников, как АБЛ (о них говорилось выше). Именно они своей работой на данный момент смогли заменить человека при исследовании планет Солнечной системы, где могла бы быть жизнь.

Нельзя забывать того, что если существующая где - то живая материя имеет иную качественную и структурную химическую организацию и, следовательно, в процессах питания, дыхания и выделения участвуют совершенно другие вещества, положительный ответ автоматических аппаратов, работающих по программе земных критериев, вообще не может быть получен.

Для решения задач обнаружения жизни вне Земли нужна правильная постановка вопросов (с учетом выше сказанного), которые можно разбить на три большие группы:

Обнаружение на планетах химических соединений, подобных аминокислотам и белкам, которые обычно связываются с жизнью на Земле.

Обнаружение признаков обмена веществ - поглощаются ли питательные вещества земного типа внеземными формами.

Обнаружение форм жизни, подобных земным животным, отпечатков жизненных форм в виде ископаемых или признаков цивилизации.

Хотя жизнь теоретически возможна на любой из планет, на их спутниках и на астероидах, наши возможности пока ограничены (в посылке аппаратуры) Луной, Марсом и Венерой.

3.1 Луна

Большинство ученых считают Луну абсолютно «мертвой» (отсутствие атмосферы, различные излучения, не встречающие препятствия на пути к поверхности, большие перепады температуры и т. д.). Однако некоторые формы могут жить в тени кратеров, особенно если, как показывают последние наблюдения и исследования, там все еще протекает вулканическая деятельность с выделением тепла, газов и водяных паров. Вполне возможно, что, если жизни на Луне нет, то она может быть уже заражена, при несоблюдении ПК (хотя есть данные, показывающие обратное), земной жизнью после прилунения на ней космических аппаратов и кораблей и, возможно, метеоритами, если они могут явиться переносчиками жизни.

3.2 Венера

Венера также, по - видимому, безжизненна, но по другим причинам. Согласно измерениям температуры на поверхности Венеры слишком высоки для жизни земного типа, а ее атмосфера также негостеприимна. Учеными обсуждалось немало идей на эту тему. Авторы работ по данной теме касались возможности существования биологически активных форм как на поверхности, так и в облаках. В отношении поверхности можно утверждать, что большинство органических молекул, входящих в состав биологических структур, испаряются при температурах, намного меньших 5000С, в протеины изменяют свои естественные свойства. К тому же на поверхности нет жидкой воды. Поэтому земные формы жизни, по - видимому, можно исключить. Довольно искусственными представляются другие возможности, включающие своего рода «биологические холодильники» или структуры на основе кремнийорганических соединений (как уже упоминалось выше).

Значительно более благоприятным представляются условия в облаках, соответствующие земным на уровне около 50 - 55 км. над Землей, за исключением преобладающего содержания СО2 и практического отсутствия О2 и 2.

Тем не менее о облаках имеются условия для образования фотоаутотоф. Однако в условиях атмосферы существенная трудность связана с удержанием таких организмов вблизи уровня с благоприятными условиями, так чтобы они не увлекались в нижележащую горячую атмосферу. Чтобы обойти эту трудность, Моровиц и Салан выдвинули предположение в венерианских организмах в форме изопикнических баллонов (фотосинтетических), заполняемых фотосинтетическим водородом.

Это все пока только гипотезы, едва ли они могут рассматриваться как с точки зрения возникновения жизни в облаках, так и своего рода «остатков» биологических форм, некогда существовавших на планете. Конечно, это не исключает того, что в определенный период своей истории Венера обладала значительно более благоприятными условиями, пригодными для проявления биологической активности.

Спецификой эволюции, особенностями теплообмена, природой облаков, характером поверхности далеко не исчерпываются проблемы Венеры, продолжающей, несмотря на огромные успехи, достигнутые за последние годы, в ее изучении, по праву сохранять за собой название планеты загадок.

Раскрытие этих загадок, несомненно, обогатит как планетологию, так и другие науки новыми фундаментальными открытиями. Мощность газовой оболочки, своеобразный тепловой режим, необычность собственного вращения и другие особенности резко выделяют Венеру из семьи планет Солнечной системы. Что породило такие необычные условия? Является ли атмосфера Венеры «первичной», свойственной молодой планете, или такие условия возникли позже, в результате необратимых геохимических процессов, обусловленных близостью Венеры к Солнцу, - эти вопросы заслуживают самого пристального внимания и требуют дальнейших всесторонних исследований, вплоть до пилотируемого полета к столь интересной планете (рис. )

3.3 Марс

Самая исследуемая сейчас планеты, на которой ведутся поиски, - Марс, но не все ученые соглашаются с тем, что на ней могут существовать какие - то формы жизни, некоторые считают Марс необитаемым. С учетом этого остановимся на этой планете подробней. Аргументы против жизни на Марсе убедительны и хорошо известны, приведем некоторые.

3.3.1 Температура

Средняя температура почти -550С (на Земле + 150С). температура всей планеты может упасть до рассвета до -800С. В середине марсианского лета близ экватора температура составила +300С, но, возможно, в некоторых областях поверхность никогда не нагревается до 00С

3.3.2 Атмосфера

Как показали полеты «Маринеров», общее давление лежит в области 3 - 7 мб (на Земле 1000 мб). При этом давлении вода будет быстро испаряться при низких температурах. Атмосфера содержит небольшое количество азота и аргона, но главная масса - углекислота, что должно благоприятствовать фотосинтезу; но еще меньше в марсианской атмосфере кислорода. Правда, многие растения могут жить и без него, но для большинства земных он необходим.

3.3.3 Вода

Наблюдая полярные шапки, астрономы сделали вывод, что они состоят из воды. Считалось, что они могут состоять из твердой углекислоты (сухого льда). В атмосфере не раз наблюдались облака различных типов, по - видимому, состоящих из ледяных кристаллов (вообще образование облаков на Марсе - редкость. Спектроскопически недавно была обнаружена вода, но влажность там должна быть очень низкой. Это может указывать на смачивание почвы влагой атмосферы, хотя такое явление бывает очень редко. Не видно движения жидкой воды по планете, хотя перемещение воды от полюса к полюсу действительно происходит (по мере таяния южной полярной шапки северная нарастает).

3.3.4 Ультрафиолетовое излучение

Практически все ультрафиолетовое излучение Солнца проникает сквозь разреженную атмосферу до поверхности планеты, что пагубно влияет на все живое (на земное, по крайней мере). Уровень космического излучения выше, чем на Земле, но по большинству расчетов он не опасен для жизни.

Тем не менее климат Марса, атмосфера отдаленно аналогичны земным. Эта планета свободна от заражения веществами земного происхождения. Поэтому обнаружение жизни на ней наиболее вероятно.

3.4 Интересные наблюдения

Не смотря на все эти доводы, ряд наблюдений говорит в пользу жизни на Марсе столь убедительно, что нельзя не упомянуть о них. Приведем некоторые из них.

Участки марсианской поверхности, которые ученые называют морями, обнаруживают все признаки жизни: во время марсианской зимы они тускнеют или почти исчезают, а с наступлением весны полярные шапки начинают отступать, и тогда «моря» немедленно начинают темнеть; это потемнение продвигается к экватору, тогда как полярная шапка отступает к полюсу. Трудно придумать этому явлению другое объяснение, кроме того, что потемнение вызывается влагой, возникшей при таянии полярной шапки.

Постепенное продвижение потемнения от края полярной шапки к экватору совершается с постоянной скоростью, одинаковой из года в год. В среднем фронт потемнения движется к экватору со скоростью 35 км / сутки. Само по себе это невероятно, поскольку скорость ветра на поверхности Марса (движение желтых пылевых облаков) достигает 48 - 200 км / час и для него типична форма гигантских циклонов. Все это выглядит аномалией, если считать, что потемнение почвы обусловлено переносом влаги из полярных шапок атмосферными течениями. Во всяком случае, физические теории, выдвигавшиеся до сих пор для объяснения этого явления, были отвергнуты.

Иногда марсианские «моря» покрываются слоем желтой пыли, но через несколько дней появляются снова. Если они состоят из марсианских организмов, эти организмы должны или прорасти сквозь пыль, или «стряхнуть» ее с себя. Поразительна « плотность» марсианских «морей» сравнительно с окружающими их так называемыми «пустынями». Если «моря» так хорошо фотографируются сквозь красный фильтр, то, значит, они состоят из организмов, покрывающих почву сплошным слоем (аналогично наблюдение наших пустынь с самолета с высоты, такой, чтобы отдельных растений нельзя было различить).

В марсианских «морях» и «пустынях» иногда быстрые, происходящие на протяжении нескольких лет изменения. Так, в 1953 г. появилась темная область величиной с Францию (Лаоконов узел). Она появилась там, где в 1948 г. была пустыня. Если такое нашествие на «пустыню» совершили марсианские растения, то они, очевидно, не просто существуют. Это наблюдение так поразительно, что можно подумать о Марсианском разуме, отвоевавшем для себя часть «пустыни» с помощью агротехники. Сделанные аппаратами «Маринер» снимки показывают, что в областях, называемых астрономами «морями», кратеры расположены наиболее густо. Так или иначе - вероятно, что жизнь могла зародиться на дне кратеров и затем перейти на возвышенности между ними. В очень хороших условиях видимости марсианские «моря» действительно распадаются на множество мелких деталей, но у нас нет оснований считать, что сейчас жизнь ограничивается дном марсианских кратеров, так как «моря» слишком обширны для такого объяснения.