30. výročí Vikingů aneb Mars mrtvý stále (a čím dál více)

Letos v létě je tomu 30 let, co na povrchu Marsu přistály výsadkové moduly meziplanetárních sond Viking. Viking 1 odstartoval z floridského Cape Canaveral pomocí nosné rakety Titan-IIIE 20. srpna 1975 a Viking 2 z téhož místa a toutéž raketou 9. září 1975 [1]. Jedním z hlavních cílů misí bylo hledání známek života. Výsledky těchto experimentů byly rozporuplné a vědci se nebyli schopni shodnout na tom, zda potvrzují existenci života, nebo jestli není možné je vysvětlit čistě chemickými pochody. Výzkum, který se mimo jiné zabýval, "marťanskou" chemií, provedený letos, nasvědčuje spíše druhé možnosti.

Obr. 1: Viking Orbiter [2].

Obr. 2: Viking Lander [2].

Obr. 3: Biologická skříňka [4].

Obr. 4: Ilustrátorova představa marťanské bouře [7].

Nejprve se podrobněji podívejme na průběh misí, vybavení orbitálních částí (orbiter), přistávacích modulů (lander) a především si rozebereme výsledky biologických experimentů provedených pomocí čtyř aparatur.

Obě sondy, Viking 1 i 2 byly dvojčaty, tj. byly zcela identické. Viking 1 byl naveden na oběžnou dráhu planety 19. června 1976 a přistávací modul dosedl na povrch 20. července, Viking 2 dosáhl Marsu 7. září 1976 a modul přistál 3. září [1].

Orbitální části (obr. 1) byly koncipovány stejně jako předchozí sonda na průzkum Marsu Mariner 9. Jejich hlavními úkoly bylo dopravit lander k planetě a fotografovat povrch, přičemž získané fotografie byly použity k vytipování vhodných míst pro přistání sestupových modulů. Orbitery měly také vlastní vědecký program sestávající z pozorování vodních par v atmosféře a infračervené mapování povrchu. V neposlední řadě také sloužily jako retranslační stanice mezi landery a Zemí [2]

Z hlediska našeho tématu je mnohem zajímavější přistávací modul (obr. 2). Ten připomínal jakéhosi brouka. Modul byl tvořen šestistrannou hliníkovou základnou, ke které byly připojeny tři přistávací nohy. Na horní části základny byly dále umístěny vědecké přístroje, radioizotopové termoelektrické generátory (RTG), kamery, rameno pro odběr vzorků z půdy, parabolická anténa poskytující spojení se Zemí (20 W vysílač v pásmu S), všesměrová anténa rovněž v pásmu S – obě pro přímé spojení se Zemí a anténa v pásmu UHF pro spojení s orbiterem.

Na bocích základny byly umístěny jednak trysky pro zajištění sestupu z orbity (deorbit maneuver), jednak trysky pro zpomalení sestupu a přistání. Dále zde byly dvě kulové nádrže z titanu, které nesly potřebné palivo jímž byl hydrazin.

Hlavními vědeckými cíli misí bylo studovat chemické složení půdy a atmosféry, meteorologických prvků (teplota, směr a rychlost větru), seismiku a další fyzikální charakteristiky [3]. Jedněmi z nejdůležitějších a zároveň nejzajímavějších však byly přístroje určené k tomu, aby pátraly po známkách života. Na závěr této „kosmonautické“ části ještě dodejme, že přistávací moduly byly před startem pečlivě sterilizovány a poté zakrytovány tzv. biologickým štítem, který měl zabránit následné kontaminaci pozemskými mikroogranismy. Důvodem tohoto postupu samozřejmě bylo zabránit ovlivnění biologických experimentů organismy pocházejícími ze Země.

Biologické experimenty

Čtyři přístroje určené pro biologické experimenty byly umístěné ve „skříňce“ o velikosti cca. autobaterie a sestávaly z asi 40000 jednotlivých součástek (obr. 3) [4]

Těmito experimenty byly (název, zkratka, problém na který měl experiment odpovědět):

- Labeled release (LR) - je v půdě něco, co vyměňuje uhlík?

- Pyrolytic Release (PR) - asimiluje něco v marťanské půdě uhlík?

- Gas chromatograph/Mass spectrometer (GCMS) - jsou v půdě vlastní organické látky?

- Gas exchange (GEX) - vyměňuje si něco v půdě plyny s atmosférou?

LR

V přírodě se přirozeně vyskytuje několik izotopů uhlíku. Jako izotopy označujeme atomy, které mají v jádře stejný počet protonů, ale různý počet neutronů. Nejrozšířenějším izototopem je uhlík ¹²C, tedy takový, který obsahuje v jádře 6 protonů a 6 neutronů. Kromě něj je možné se setkat také s izotopem ¹³C, který má v jádře o jeden neutron více. Uměle je možno připravit izotop ¹⁴C, který je však nestabilní a rozpadá se beta mechanismem, je tedy možné jej detekovat např. Geiger-Müllerovým (GM) počítačem. Tohoto faktu využili vědci v experimentu LR i PR.

Do speciálního kontejneru byl vložen vzorek marsovské půdy a atmosféry. Tento vzorek byl skropen mlhou výživných látek, které obsahovaly izotop ¹⁴C. Pokud by byl nalezen v atmosféře nad vzorkem, dalo by se z toho usoudit, že něco v půdě pohlcuje izotop z výživy a uvoňuje plyn jakožto produkt metabolismu. Po několika dnech GM počítače začaly po izotopu pátrat.

A skutečně, počítače zjistily přítomnost radioaktivního izotopu v atmosféře nad vzorkem. Tyto přístroje však nejsou schopny určit druh molekuly, kterého je izotop součástí. Tento fakt se ukázal jako zásadní nedostatek tohoto experimentu. Radioaktivní uhlík mohl být totiž součástí jak oxidu uhličitého tak např. metanu. Metan by byl dobrým důkazem přítomnosti života, rozhodně lepším než oxid uhličitý, neboť byl navržen čistě chemický mechanismus jeho vzniku, který je založen na spoluúčasti peroxidu vodíku (viz dále). Možné také je, že oxid uhličitý byl vytlačen z půdy živinami, které se do ní adsorbovaly.

Dále byl v rámci tohoto experimentu proveden ještě jeden pokus, který byl v zásadě stejný jako předcházející, ovšem s jedním zásadním rozdílem, a to tím, že před přidáním výživných látek byl vzorek zahřát na 170°C, čímž by byly zničeny všechny mikroorganismy, pokud by se tam nějaké vyskytovaly. Poté byla opět přidána výživa. Tentokrát nebyl izotop v atmosféře zjištěn. Ani toto však nedovoluje tvrdit, že byl nalezen život, protože peroxid vodíku je při teplotě 170°C bezpečně zničen a nemůže se účastnit výše zmiňovaného mechanismu [5]. K problematice peroxidu vodíku se ještě vrátíme u experimenu GEX a v poslední části článku.

PR

Při tomto experimentu bylo zkoumáno, zda marsovská půda přijímá z atmosféry uhlík. Do malé nádobky byl opět umístěn vzorek půdy a poté byla do komory napuštěna směs radioaktivně značeného oxidu uhličitého a uhelnatého (tj. tyto molekuly opět obsahovaly izotop ¹⁴C). Komora byla dále vybavena xenonovou lampou. Tyto podmínky měly simulovat prostředí Marsu uvnitř biologické „skříňky“ resp. části s PR.

Uvedené podmínky byly udržovány po dobu pěti dnů. Poté byl veškerý stávající plyn vytlačen pomocí inertního plynu helia tak, aby v atmosféře komory nezůstaly žádné stopy plynů obsahujících značený uhlík.

Vzorek půdy byl pyrolyzován tj. vystaven vysoké teplotě, která měla zaručit, že jákékoliv případné marsovské mikroorganismy by byly nejen zabity, ale zcela rozloženy. Molekuly z takto rozložených mikrobů měly být vypařeny a zjištěny pomocí GM počítačů. Pokud by počítače nalezly stopy radioaktivního uhlíku, dalo by se předpokládat, že mikroorganismy asimilovaly značené molekuly oxidu uhličitého pro svůj metabolismus.

Podstatné u tohoto experimentu bylo, že nebyla použita, na rozdíl od experimentu LR, žádná výživa. To vylučovalo vliv peroxidu vodíku, který podle hypotéz vznikal v LR a GEX z vody použité jako rozpouštědlo.

Naneštěstí ani tento experiment neprokázal přítomnost mikroogranismů, protože se vyskytly problémy jednak s těsností komory a následné výpočty tak nebyly použitelné, respektive byly napadnuty vědci pracujícími na ostatních experimentech, především skupinou kolem LR, jednak data získaná z GM počítačů byla na hranici jejich rozlišovací schopnosti [5].

GCMS

Vzorek půdy byl vystaven teplotě 500°C. Při této teplotě by se rozložily všechny mikroby a podobně jako u experimentu PR by zbyly jen organické molekuly. V tomto případě však měly být „prohnány“ plynovým chromatografem (GC). Hlavní částí tohoto zařízení je kolona, tedy tenká trubice naplněná vhodným sorbentem. Směs látek do ní vstupuje a různé látky se v závislosti na svých fyzikálních vlastnostech sorbují s různou silou. Výsledkem je, že každá jednotlivá látka vychází z trubice v jiný okamžik a směs je takto rozdělena na samostatné sloučeniny.

Takto separované sloučeniny vstupují do hmotnostního spektrometru (MS). Napřed jsou ionizovány v ionizační komůrce. Při tomto pochodu jsou z obalů atomů odtrženy elektrony a vznikají tak kationty, tedy atomy s kladným nábojem (obecně zde mohou vznikat i anionty), resp. fragmenty atomů, podle toho jaká se použije ionizační technika. Kationty následně prolétávají elektrickým a magnetickým polem, kde jsou vychylovány z přímé dráhy letu a dopadají na detektor v různých vzdálenostech od středu v závislosti na jejich hmotnosti (přesněji řečeno na poměru hmotnost/náboj. Pro úplnost dodejme, že existují i jiné analyzátory svazku iontů než zde popsaný). Signál z detektoru je zesílen a uložen. Vzniká tak diagram, zvaný hmotnostní spektrum, kde je vyneseno relativní množství kationtů v závislosti na poměru hmotnost/náboj. Z tohoto spektra lze usoudit, o jakou látku se jedná.

Při tomto experimentu však žádné organické látky nalezeny nebyly. Vypadá to tedy, že tento pokus jednoznačně vyvrací možnost života na Marsu. Bohužel tomu tak není, protože došlo k jistým procedurálním problémům při odběru vzorků, navíc i zde byly navrženy jiné možnosti jak výsledky vysvětlit [5].

GEX

V tomto experimentu byl vzorek půdy umístěn do komory a pomalu na něj byla ve formě jemné mlhy přiváděna výživa (vlhká metoda). Během přidávání byla komora profukována heliem a tento plyn, obohacený o produkty uvolňované z půdy, byl odváděn opět do plynového chromatografu a analyzován.

Výsledek vědce překvapil: došlo k 200 násobnému zvýšení koncentrace kyslíku, který je považován za produkt metabolismu živých organismů. Nicméně po 50 hodinách rychlost vzniku kyslíku klesala, ačkoliv živin byl stále dostatek, což vypadá spíše na chemickou reakci, kdy došlo k úplnému zreagování látek přítomných v půdě.

Po 16 solech (marsovských dnech) byla přidána výživa tzv. mokrou metodou. Došlo sice k nepatrnému růstu koncentrace oxidu uhličitého, další kyslík se však již neuvolnil. I v tomto případě bylo navrženo anorganické řešení, které opět operovalo s peroxidem vodíku [5].

Na tomto místě je načase vysvětlit, proč se zastánci biologických řešení stavěli proti peroxidové teorii. Zaprvé nebylo jasné, jak by peroxid vodíku mohl v marsovských podmínkách vznikat, zadruhé je tato látka extrémně nestálá (ve skutečnosti se sama rozkládá za vzniku vody a kyslíku, a to tak, že za určitých podmínek může být použita dokonce jako raketové palivo) a nemůže volná dlouho existovat. Se zajímavou hypotézou jak může na Marsu peroxid vodíku vznikat přišli nyní vědci z několika univerzit a výzkumných středisek.

Elektrické bouře

Tato studie byla uveřejněna letos ve dvou člácích v časopise Astrobiology. Na základě laboratorních experimentů a teoretických modelů vyslovili vědci názor, že oxidační činidla mj. nepřátelská životu jako např. právě peroxid vodíku a ozon mohou vznikat působením statické elektřiny během celoplanetárních písečných bouří nebo, v menší míře, ve vírech zvaných prašní ďábli.

V prvním ze dvou článků vědci ukázali, že tyto oxidanty mohou vznikat za účasti elektrických polí v bouřích reakcí oxidu uhličitého a vody, která je v atmosféře Marsu též přítomna.

Ve druhém článku demonstrují, že během bouří vzniklé peroxidy, případně jiné složitější superoxidy, mohou v blízkosti země kondenzovat a ve formě sněhu padat na povrch a kontaminovat tak svrchní vrstvy půdy. Podle hlavního autora tohoto článku mohou tato oxidační činidla nejen zničit život, ale i urychlovat úbytek metanu v atmosféře.

Část autorů těchto článků studovala chování prašných ďáblů na americkém Jihozápadě, aby zjistili jak v podobných bouřích vzniká elektřina a jak elektrické pole může ovlivňovat molekuly vzduchu, zvláště pak ty, které se také vyskytují v tenké marťanské atmosféře.

Na základě těchto výzkumů použili modely fyziky plazmatu k vysvětlení toho, jak prachové částice získávají negativní a pozitivní náboj. Ačkoliv neexistují důkazy toho, že se na Marsu vyskytují blesky, elektrická pole vznikající separací nabitých částic v bouřích mohou urychlit elektrony na rychlosti dostatečné k tomu, aby rozbily molekuly.

Převládajícími molekulami marťanské atmosféry jsou oxid uhličitý a voda, nejpravděpodobnějšími ionty, které z nich mohou vzniknout jsou atomární vodík (H), hydroxyl (OH) a oxid uhelnatý (CO). Jejich rekombinací podle článku vzniká peroxid vodíku. Ten, jak již bylo řečeno, pokud se vyskytne ve vyšší koncentraci, kondenzuje a sněží na povrch.

A právě tento peroxid mohl obalamutit experimenty sond Viking pátrající po životě. Existuje sice alternativní vysvětlení vzniku oxidantů, které počítá s jejich vznikem za pomoci ultrafialového záření, které je na Marsu intenzivnější než na Zemi díky tenčí atmosféře, nicméně množství, které může tímto způsobem vzniknout je nedostačující na to, aby poskytlo výsledky Vikingů. Naproti tomu množství, které jsou schopny vyprodukovat elektrické bouře, dostatečné je.

Jak bylo zmíněno výše, peroxid vodíku a další oxidační činidla jsou krajně nepřátelská k životu, tedy aspoň takovému, jaký známe a umíme si představit. Tato studie tedy kromě toho, že vysvětluje podivné výsledky Vikingů, zabíjí další hřebík do rakve našim nadějím na nalezení života na Marsu.

Teorie elektrických bouří může být ověřena pomocí detektorů elektrického pole, kterými budou vybaveny přistávací moduly nebo rovery v budoucnu jak alespoň autoři článků doufají [6].

Týmy sestávaly z těchto vědců: Gregory T. Delory, Sushil K. Atreya, Farrell, Nilton Renno a Ah-San Wong z University of Michigan; Steven Cummer z Duke University, Durham, N.C.; Davis Sentman z University of Alaska; John Marshall ze SETI Institute in Mountain View, Calif.M; Scot Rafkin ze Southwest Research Institute in San Antonio, Texas a David Catling z University of Washington.