Н Хоровиц - Поиски жизни в Солнечной системе
зимнего сезона. Это явление удалось наблюдать на протяже нии двух зимних сезонов. Иней не мог непосредственно сконденсироваться из атмосферы, поскольку в то время в ней было слишком мало водяных паров. Было высказано пред положение, что иней образовался в Южном полушарии, а затем был перенесен частицами пыли в северную полярную область, где на нем сконденсировался углекислый газ; в результате кристаллы льда стали настолько тяжелыми, что выпали на грунт. А после испарения СО^ остался чистый (водяной) лед. Значительная часть воды перемещается из Южного полушария в Северное благодаря этому или ка кому-то иному механизму, но большая часть конденсата, ежегодно накапливающегося в арктической области, состоит из той воды, которая совершает сезонные перемещения между почвой и атмосферой.
Водоемы с соленой водой на Марсе?
Посмотрим теперь, может ли существовать на Марсе жидкая вода в виде высококонцентрированных солевых раст воров. Наиболее подходящей с этой точки зрения солью является хлорид кальция, если, конечно, он имеется на Марсе. В точке замерзания (-51 С) давление паров насыщенного раствора хлорида кальция равно 34 мбар. Однако, как мы знаем, максимальное давление паров воды в атмосфере Марса составляет только 4,5 мкбар. так что и насыщенный раствор хлорида кальция неизбежно будет испаряться. Для поддержания такого раствора, вероятно. должны время от времени пополняться запасы воды. Пред положительно, это может происходить за счет сезонных отложений инея в полярных областях. Но измерения темпе ратуры в месте посадки второго спускаемого аппарата по казали, что такой раствор будет находиться в твердом (замерзшем) состоянии всю зиму и может растаять только в дневное время летом.
Хлорид кальция, по всей вероятности, редко встречается на Марсе. Это обусловлено теми же причинами, что и его малая распространенность на нашей планете. На Земле кальций существует главным образом в виде известняка (карбоната кальция) и гипса (сульфата кальция). Обе эти соли гораздо хуже растворимы, чем хлорид кальция, и из раствора осаждаются быстрее его. На Марсе, как показал проведенный в рамках научной программы "Викинг" анализ неорганических составляющих почвы, диоксид углерода в изобилии присутствует в атмосфере, а сульфат кальция - в почве. По-видимому, как карбонат, так и сульфат кальция образовывались повсюду, где в прошлом на поверхности Марса существовала жидкая вода. Никакая другая соль. которая могла бы присутствовать на Марсе, не может обеспечить существование на планете жидкой воды.
Жизнь при марсианских температурах
Очевидно, что низкая температура на Марсе-главный фактор, определяющий состояние воды на этой планете. Средняя температура марсианской поверхности - 55^С. а на Земле она равна 15"С (см. табл. 4). Даже на экваторе Марса ночная температура опускается намного ниже нуля, хотя днем она может подниматься до 25 С. Несмотря на то что по земным стандартам температура на Марсе неблагоприятна,
сама по себе она не исключает возможности жизни на планете. Известно, что некоторые земные микроорганизмы могут развиваться при температуре ниже - 10 "С, сообща лось даже о росте дрожжей при температуре - 34 С. Неко торые виды клеток способны выживать (хотя и не растут) при очень низких температурах- вплоть до - 196' С. Вполне можно предположить, что если бы на Марсе существовал подходящий растворитель, температурные условия не огра ничивали бы возможность активной жизни, по крайней мере в некоторых областях планеты.
Выводы
Итак, маловероятно, что жидкая вода в каком-либо виде хотя бы время от времени возникает на Марсе. Марсианская жизнь, если таковая существует, должна мобилизовывать все свои возможности, чтобы извлечь воду из атмосферных паров или льда и использовать ее в качестве растворителя. В этом процессе потребляется значительное количество энергии. На Земле некоторые организмы, обитающие в пустынях, для получения .воды действительно используют ее пары. Далее в этой главе мы расскажем, какими способами обитатели пустынь получают жидкую воду.
Вода в биологических системах
Водная активность
Все клетки (за исключением тех, которые находятся в состоянии покоя) живут в том или ином водном растворе. Клетки высших животных омываются сывороткой крови. клетки растений-в тканевом соке, а такие живущие вне организмов клетки, как бактерии, существуют в разного рода водных средах. Растения и животные сами создают свою внутреннюю среду, а клетки микроорганизмов всту пают в обмен непосредственно с внешней средой.
Говоря о потребности клеток в воде, удобно пользовать ся понятием водной активности среды, в которой они обита ют. Водная активность а^.-мера эффективной концентрации воды в растворе, т. е. концентрации воды, доступной для химических реакций. В любом водном растворе часть воды связана с молекулами или ионами растворенного вещества в комплексы, называемые гидратами. Именно образование
гидратов переводит растворенное вещество в раствор. По скольку молекулы воды, участвующие в образовании гидра тов, не доступны для других реакций, водная активность раствора ниже, чем водная активность чистой воды. Давле ние паров раствора, которое прямо связано с водной актив ностью, также ниже, чем у чистой воды. Действительно, водная активность определяется как отношение давления паров раствора, р, к давлению паров чистой жидкой воды, ро, при той же температуре:
а,. = PiPo
Водная активность численно равна относительной влаж ности воздуха, находящегося в равновесии с раствором. Таким образом, если насыщенный раствор хлорида кальция (а^ = 0,75 при 25 С) поместить в сосуд малого объема, то заключенный в этом сосуде воздух будет иметь относитель ную влажность 75%. Как следует из закона Рауля, водная активность слабых растворов равна доле свободных молекул воды в этом растворе.
Высшие растения и животные
В табл. 5 указаны значения водной активности некоторых растворов, представляющих биологический интерес. Все многоклеточные организмы для нормального роста и мета болизма нуждаются в высокой водной активности. Сыворот ка крови человека-среда, в которой мы живем,-характерна для всех млекопитающих. По своей водной активности она лишь незначительно отличается от активности дистиллиро ванной воды. Фактически ее активность соответствует 0,9%-му солоноватому раствору NaCI, который обычно называют физиологическим раствором. Клеточный сок большинства растений по своей водной активности сходен с кровью животных.
Растения пустынь. Можно было бы предположить, что клетки растений и животных, приспособившихся к жизни в безводных условиях, предъявляют не столь жесткие требова ния к наличию воды, как клетки других организмов. Однако это не так. Различные виды живых организмов, обитающие в пустыне, обладают сложными механизмами, которые позво ляют им приспособиться к окружающим условиям, под держивая в своих внутренних жидкостях водную активность, мало отличающуюся от той, которая присуща видам, живу щим во влажной среде. Растения достигают этого главным
Таблица 5. Водная активною 'ь некоторых растворов, представляю щих биологический интерес Раствор Температура, о,,. Источник "С данных Вода Любая 1.000 Сыворотка крови человека 37 0,994 [28] Клеточный сок (горох) 25 0,994 [24] Dipodomys (сыворотка крови) 37 0,993 [28] Tenehrio (жидкости тела) 25 0,987 [8] Морская вода 25 0,98 [31] Насыщенный раствор саха розы 25 0,85 [25] -- NaCI 25 0,75 [25] CaCI; 25 0,31 [33] - - CaCI, 0 0,42 [33] образом тем, что просто запасают воду впрок. В боль шинстве пустынь время от времени выпадают дожди, и некоторые растения, например кактусы и другие суккуленты, накапливают и хранят воду в стеблях и листьях, используя ее в засушливые периоды. Кроме того, эти растения могут уменьшать скорость испарения воды из листьев и стеблей, закрывая устьица (поры), через которые в нормальном состоянии происходит газообмен. Поскольку процесс фото синтеза, протекающий в организме, зависит от интенсив ности газообмена с атмосферой, закрытие устьиц приводит к замедлению роста. По данным П.С. Нобеля, лишь у не многих видов растений пустыни водная активность кле точных жидкостей падает до столь низкой величины, как ^ = 0,96 при 25 С.
Другие растения пустынь не запасают воду, но проходят свой полный жизненный цикл за короткий период времени, когда имеется вода, оставляя на последующий засушливый период только покоящиеся семена или луковицы. Покоящие ся клетки, по всей видимости, находятся в состоянии водного равновесия (или близком к нему) с внешней средой. Состоя ние покоя может быть также реакцией некоторых многолет них растений на чрезвычайную засуху.
Выживание таких растений критическим образом зависит от обильного, хотя и редкого орошения земли дождями. Другим потенциальным источником воды являются водяные пары, которые присутствуют в атмосфере даже в самых
