Недавно мир облетела потрясающая новость: найдено возможное свидетельство жизни на Венере — фосфин, который вроде бы не может быть объяснен небиогенными процессами.
Прежде всего — о самом открытии. Команда британских астрономов приступила к поиску фосфина на других планетах. Это вещество (РН3) считается «биомаркером», то есть возможным свидетельством внеземной жизни, именно поэтому его искали. Венера была выбрана без расчета на успех — просто чтобы отладить методику на объекте с предположительно нулевым сигналом. А он, к удивлению исследователей, оказался ненулевым!
Первые измерения были проведены на телескопе миллиметрового диапазона «Джеймс Клерк Максвелл». Результат показан на рис. 1. Точно там, где должна быть ротационная линия молекулы фосфина, наметился провал.
Статистическая значимость провала была недостаточной, хотя положение совпадало идеально. Исследователи повторили измерения на гораздо более мощном инструменте — интерферометре ALMA (десятки параболических антенн в высокогорной пустыне Атакама). Результат — на рис. 2. Тут уже не остается ни малейшего сомнения. В атмосфере Венеры есть фосфин, его относительная концентрация — 2 × 10–8, что довольно много для подобного соединения.
Открытие, безусловно, интересное в любом случае, но основной ажиотаж связан с утверждением о том, что фосфин — признак жизни в верхних слоях атмосферы Венеры, где давление и температура близки к земным.Свидетельствует ли фосфин о существовании жизни на Венере? Следуя известному изречению Карла Сагана (изначально похожее утверждение было высказано Лапласом), чрезвычайные утверждения требуют чрезвычайных свидетельств. Утверждение о венерианской жизни — чрезвычайное; является ли фосфин чрезвычайным свидетельством?
Почему вообще он считается «биомаркером»? (Термин весьма неудачный, в англоязычной литературе употребляется biosignature, тем не менее придется его использовать.) Во-первых, фосфин весьма химически активен: то есть должен исчезать из атмосферы, если нет постоянного источника его пополнения, — примерно как кислород. Во-вторых, считается, что он выделяется анаэробными бактериями; в подтверждение приводятся данные о выделении фосфина из болот, рисовых полей, в пищеварительных трактах и т. п.
Жизнь очень активно использует фосфор и «всасывает» его из окружающей среды, несмотря на то что он весьма дефицитен. Поэтому корреляция между теми или иными соединениями фосфора и некоторыми формами земной жизни кажется естественной.
Мы обратились за комментариями к профессору Армену Мулкиджаняну (МГУ имени М. В. Ломоносова и Оснабрюкский университет в Германии), который известен работами о ранней эволюции и происхождении жизни.
Итак, линия фосфина в атмосфере Венеры надежно обнаружена. Можно ли ее рассматривать как свидетельство жизни в верхних слоях атмосферы Венеры?
— Обнаружение фосфина в атмосфере Венеры ни о какой венерианской жизни, увы, не свидетельствует. Представляет ли тогда наличие на Венере фосфина хоть какой-то интерес? Для широкой научной и интересующейся наукой аудитории, наверное, представляет, так как напоминает о разнообразии валентных состояний фосфора в природе.
Природный фосфор (Р) существует в нескольких валентных состояниях — от предельно восстановленного P(-3), как в венерианском фосфине, до предельно окисленного P(+5), обычного для земной жизни. Исходное состояние фосфора в Солнечной системе — это как раз P(-3). Такой фосфор находят в минералах самых древних метеоритов; в этом состоянии фосфор обнаруживается в атмосфере Сатурна и Юпитера, где фосфина в тысячу раз больше, чем в венерианской атмосфере. При этом никто на этом основании не утверждает, что в атмосфере гигантских планет есть жизнь. Так что и для Венеры предполагать жизнь, исходя из обнаружения следовых количеств фосфина, никаких оснований нет.
Окисленность фосфора на Земле — это следствие четырех с половиной миллиардов лет эволюции земной коры. Фосфор окислялся до фосфата P(+5), взаимодействуя сперва с водой, а потом и со свободным кислородом после его появления в атмосфере. На Венере с жидкой водой, видимо, плохо, а кислорода и вовсе нет. Так что обнаружение там фосфина Р(-3) как-то и неудивительно…
Подавляющее доминирование фосфата Р(+5) на Земле представляет собой большую проблему. Дело в том, что в молекулах ДНК и РНК нуклеотидные остатки соединены фосфатными мостиками. Мембраны живых организмов, большей частью, состоят из фосфолипидов. На отщеплении и присоединении фосфатных групп держится вся биоэнергетика и значительная часть биологической регуляции. В клетке содержание фосфора очень велико — порядка десятков миллимолей.
При этом фосфатные соли обычных металлов очень плохо растворимы в воде и содержание фосфата в морской воде, например, не превышает микромолей. Эти микромоли фосфата клетки морских микроорганизмов, используя сложные транспортные системы, закачивают внутрь против градиента концентрации, тратя на это энергию. В результате деятельности морских микроорганизмов содержание фосфата, например, в северной части Атлантического океана падает до наномолей. Из-за хронического недостатка доступного фосфора в природе, собственно, и нужны фосфатные удобрения.
— Представляет ли недостаток фосфора проблему для возникновения жизни?
— Да, поскольку спонтанное образование РНК-подобных полимеров, которые, видимо, были первыми биомолекулами, трудно представить при микромолярных количествах фосфата в окружающей среде. В 1955 году Эддисон Гулик (Addison Gulick) высказал гипотезу, что в древние времена, когда кислорода в атмосфере Земли еще не было, восстановленного фосфора могло быть больше. Это решало проблему с первыми биомолекулами, так как соли фосфита P(+3) и гипофосфита P(+1) хорошо растворимы в воде. Восстановленными формами фосфора стали понемногу заниматься в связи с ранней эволюцией, но, на мой взгляд, занимаются еще недостаточно.
Сейчас по этой теме систематически работают две группы: Мэтью Пасек (Matthew Pasek) в США и Терренс Ки (Terrence Kee) в Великобритании. Удалось выяснить, что и на современной Земле всё еще есть восстановленные соединения фосфора небиологического происхождения, в частности минералы. Интересно, что только в 2009 году обнаружили, что фосфат Р(+5) и фосфит Р(+3) присутствуют в геотермальных водах в соотношении 50:50. Этого не было известно ранее, поскольку традиционный геохимический анализ валентные формы фосфора не различает, т. к. весь присутствующий в пробе фосфор при его количественном определении окисляется серной кислотой до состояния Р(+5). Эти недавние геохимические находки хорошо согласуются с полученными ранее микробиологами данными о том, что многие бактерии имеют ферментные системы для окисления фосфита P(+3) и гипофосфита P(+1).
Комментарий Мэтью Пасека
«Это [открытие], несомненно, повлечет новые исследования. Я предполагаю, что существует некий небиологический процесс, который производит фосфин, но они определенно нашли нечто очень странное». Пасек добавил, что у ученых до сих пор нет уверенности в том, как жизнь производит фосфин на Земле, и вообще, производится ли он организмами. «Мы полагаем, что он биогенный, но мы еще не доказали это».
— Авторы статьи рассмотрели ряд сценариев производства фосфина на Венере (равновесные химические реакции в атмосфере, на поверхности, под поверхностью, фотохимические реакции, молнии, метеориты, солнечный ветер) и не нашли небиологического процесса, генерирующего его в нужном количестве.
— Понимаете, на Земле же тоже никто восстановленных естественных форм фосфора и не предполагал, пока их не нашли. Равновесная термодинамика говорит, что их в присутствии свободного кислорода быть не должно. А в первом же изученном геотермальном озере половина фосфора оказалась в виде фосфита Р(+3). Существенная часть бактериальных геномов содержит гены ферментов, окисляющих фосфит Р(+3) и гипофосфит Р(+1). То есть даже на окисленной кислородом Земле восстановленные соединения фосфора есть, и бактерии умеют добывать энергию, их окисляя.
Откуда восстановленные формы фосфора берутся на Земле? Во-первых, не исключено, что часть восстановленного фосфора попадает в земную кору из мантии, химия которой не очень хорошо изучена. Во-вторых, в районах геотермальной активности углекислота, взаимодействуя с водой и железом горных пород при высокой температуре, восстанавливается до органических соединений в реакциях Фишера — Тропша. В этих условиях и фосфат Р(+5) может восстанавливаться до фосфита Р(+3), что, видимо, и объясняет появление фосфита в гидротемальных водах. В-третьих, вулканические газы, по последним данным Андрея Бычкова и его коллег с геологического факультета МГУ, содержат фосфор в частично восстановленном состоянии. Наконец, в-четвертых, окисляющие фосфит ферменты микроорганизмов работают обратимо и, например, в анаэробных условиях могут восстанавливать фосфат Р(+5) до фосфита Р(+3).
Важно, что во всех этих реакциях образуется фосфит Р(+3), который химики как раз и используют для получения фосфина Р(-3). Фосфин Р(-3) образуется в реакции дисмутации (при этой реакции образуются соединения, содержащие один и тот же элемент в разных степенях окисления). При получении фосфина четыре молекулы фосфита Р(+3) дисмутируют до трех молекул фосфата Р(+5) и одной молекулы фосфина P(-3).
На Земле фосфин обнаруживается там, где есть анаэробные микробные сообщества. При этом никто пока не понял, откуда он там берется. Ферментов, генерирующих фосфин, еще не нашли, так что он может просто выделяться при разнообразных неферментативных реакциях восстановленных микроорганизмами соединений с участием фосфита Р(+3) и гипофосфита Р(+1), вроде реакции дисмутации, описанной выше. Подобные процессы неравновесны, они очень плохо моделируются. Процессы взаимодействия атмосферы Венеры с ее геосферой тоже неравновесны по определению, и если бы их еще кто-то понимал… Надо отметить, что авторы статьи про Венеру честно написали, что проводили только равновесное моделирование химических реакций. Оно, в общем, не очень адекватно в данном случае…
Тут, кстати, уместно спросить, а почему фосфин сочли биомаркером, если его много в атмосферах необитаемых Юпитера с Сатурном, а на обитаемой Земле очень мало? Скорее всего, биологи, назначившие фосфин биомаркером, о его наличии на необитаемых небесных телах Солнечной системы просто не знали. Бывает.
— Вам не попадались высказывания экспертов, не задействованных в данной работе?
— Я сделал простую вещь: набрал в «Гугле» «Венера», «фосфин» и «Пасек» по-английски. Поскольку Мэтью Пасек единственный на всю Америку имеющий отношение к NASA эксперт по восстановленным состояниям фосфора, мой расчет был на то, что к нему обратятся за комментариями. Расчет оправдался: в Los Angeles Times его комментарий, вполне разумный, опубликован среди прочих.
Наконец, наш комментарий
Сделано важное интересное открытие. Наличие фосфина в атмосфере Венеры установлено надежно и требует объяснений. Интерпретация находки как возможного свидетельства венерианской жизни относится скорее к пиару, чем к науке. К счастью, авторы соблюдают осторожность, упомянув в абстракте биогенное происхождение в последнюю очередь, а в дискуссии сделана оговорка, что происхождение фосфина может быть связано с каким-то неизвестным абиогенным процессом. Впрочем, пиар может оказаться полезным, если привлечет дополнительные средства к исследованиям Венеры, а еще лучше — к исследованиям природных восстановленных состояний фосфора на Земле.
Борис Штерн, Армен Мулкиджанян
Литература:
nature.com/articles/s41550-020-1174-4
Источник: trv-science.ru