Подводный микроскоп готов увидеть жизнь на Европе

Ледяная кора Европы скрывает одну из самых интригующих загадок: это одно из мест, где теоретически возможно существование жизни. И хотя высадка на спутник Юпитера состоится нескоро, учёные уже обдумывают: какими инструментами и что именно следует искать в ледяной глубине. Есть шанс, что действительность превзойдёт все ожидания.

В существовании подлёдного океана Европы планетологи уже практически не сомневаются, расхождения во взглядах касаются лишь его параметров – глубины вод и толщины скрывающей его ледяной корки. Тут просто пока не хватает данных.

Также более менее ясно, что подогреваемый изнутри океан может являться домом для живых организмов, по меньшей мере — бактерий. На нашей планете давно открыты экстремофилы, процветающие в полной темноте подо льдами Антарктики и Гренландии, на дне океана и даже в толще пород глубоко под землёй.

Ледяная кора Европы составлена из блоков, которые неоднократно разламывались и сдвигались на новые позиции. Поверхность планетки молодая – малое число ударных кратеров говорит, что ей порядка 30-50 миллионов лет, то есть внешняя оболочка Европы регулярно обновляется за счёт воды, поступающей через трещины. Это одно из свидетельств подлёдного океана.
На данном снимке с аппарата Galileo цвета – искусственные. Красно-коричневые области – материал, поднятый наверх в результате геологической активности. Белые лучи – выбросы, возникшие при рождении ударного кратера Pwyll. Ледяные равнины показаны в синих тонах. Крупнозернистый лёд – тёмно синий, мелкозернистый – светло-голубой. Темные линии – трещины и хребты, некоторые из них тянутся на 1850 километров (фото NASA/JPL/University of Arizona).

На Европе вполне может существовать подобная жизнь. Как и на Марсе. Но с последним нам не слишком везёт. Скажем, пара американских посадочных аппаратов Viking, достигших Марса в 1976 году и проработавших на его поверхности несколько лет, среди прочего были оборудованы анализаторами, специально разработанными для поиска химических следов жизни. Но эти приборы дали столь неоднозначные результаты, что споры об их интерпретации продолжаются до сих пор.

В последние годы различные научные группы и компании разработали и построили немало прототипов анализаторов жизни. Некоторые, к примеру, рассчитаны на выявление в образцах аминокислот и даже способны определять хиральность молекул. Но поиск наилучшего способа определения жизни продолжается. Особенно интересна эта задача применительно к Европе, ведь тут потребуется пропускать через анализатор большие массы воды.

Ханс Кройцер придумал обходной манёвр: не нужно возиться с разгадкой химических реакций и выявлять ДНК – бактерии Европы нужно просто разглядеть (фото Dalhousie University).

Оригинальный подход к решению задачи предлагает Ханс Кройцер (Hans J?rgen Kreuzer) и его коллеги из канадского университета Дальхузи. Они считают, что на юпитерианский спутник следует отправить "Последовательный голографический цифровой микроскоп" (DIHM).

Построенный Хансом со товарищи прибор, состоит из пары водонепроницаемых отсеков, разделённых камерой, через которую протекает вода. В одном отсеке размещён синий лазер, во втором — цифровая камера. Она глядит на лазер через прозрачное окно. Луч же, в свою очередь, попадает в тестовую камеру через крохотное отверстие (с диаметром порядка длины волны), создавая при этом сферические световые волны, идущие из точечного источника.

Если на пути волн встают микроскопические объекты, волны претерпевают дифракцию и интерференцию. Эту картину снимает камера, а специальная программа восстанавливает подлинный портрет частиц буквально за миллисекунды. При этом аппарат фиксирует наличие объектов поперечником свыше 100 нм. Он умеет определять их трёхмерную форму и отслеживать движение в трёх измерениях.

Принцип работы, схема и внешний вид DIHM (иллюстрации и фото Hans Kreuzer/Dalhousie University).

Тестирование аппарата успешно прошло в ледниковом озёре одного из островов канадской Арктики, а также в водах северной Атлантики. В улов погружаемого микроскопа попали диатомовые водоросли, коловратки, всяческие инфузории (парамеции, реснитчатые, флагеллаты), и даже "отпечатались" бактерии.

Авторы микроскопа утверждают, что для космической миссии его можно выполнить совсем портативным и лёгким. Аппарат этот неприхотлив, очень надёжен и может фиксировать жизнь простейших в динамике.

"Вы можете быть абсолютно уверены в том, что там есть что-то живое и оно плавает", — резюмирует один из членов команды Кройцера Джей Надо (Jay Nadeau) возможности новой техники, столь блестяще проявленные в тестах. (Подробности экспериментов с DIHM опубликованы в статье в Planetary and Space Science.)

Пример одного снимка (вверху) и коллаж из различных форм простейших, попавших под око лазерного микроскопа канадцев (фото Hans Kreuzer/Dalhousie University).

Но вот что любопытно. Последние научные исследования говорят о том, что если жизнь на Европе существует, то там вполне могут обитать и куда более внушительные создания, чем инфузории да жгутиковые. Что-то вроде рыб. Под линзы микроскопа они явно не поместятся, так что будущим проектировщикам подлёдных роботов-разведчиков следует подумать о видеокамерах с мощным освещением и, может быть, о сонарах.

Такое оптимистичное предположение следует из другой работы – расчётов Ричарда Гринберга (Richard Greenberg) из университета Аризоны.

На прошедшей в октябре конференции отделения планетарных наук американского астрономического общества (Division for Planetary Sciences) он представил (PDF-документ) исследование, утверждающее: кислорода в океане Европы в 100 раз больше, чем явствовало из предыдущих оценок. А это – благоприятный сигнал для жизни более сложной, чем бактерии.

"У нас нет никаких свидетельств, что там есть жизнь, — говорит учёный. – Но мы знаем, что на Европе существуют физические условия для её поддержки". Гринберг подразумевает постоянно обновляющуюся поверхность этой луны.

На ней происходит интересный процесс. Заряженные частицы, разогнанные магнитным полем Юпитера, врезаются в лёд и некоторые из них расщепляют воду. Полученный кислород остаётся во льду и вместе с ним очень медленно опускается в глубины. По оценке Ричарда самый первый кислород достиг океана подо льдом за 1-2 миллиарда лет.

Но темп обновления лика спутника высок. "Ныне перед нами совершенно другая поверхность, чем была в то время, когда на Земле вымерли динозавры", — говорит Гринберг. (Интересное совпадение, по некоторым предположениям, жизнь Европе могла дать как раз гибель динозавров.)

Снова кадр, переданный более десятилетия назад аппаратом Galileo. Область изображения – 32 х 40 км. Солнце светит справа. Хорошо видна тройная полоса, пересекающая левый верхний угол. Это система хребтов, длина которых составляет сотни километров, высота достигает 180 метров, а общий поперечник – 6 километров. Видны также крупные холмы (фото NASA/JPL).

Под давлением нового материала старый лёд медленно опускается ниже и в конце-концов растворяется в воде океана (на разогрев луны работают приливные силы). Так что теперь, по оценке исследователя, кислорода подо льдом Европы достаточно, чтобы поддержать порядка трёх миллионов тонн "макрофауны", то есть созданий, схожих с рыбами.

Вероятно, это не столь уж большое число, учитывая, что объём океана Европы примерно вдвое превосходит объём всех земных океанов вместе взятых. Но это весть приятная для тех, кто мечтает найти на далёкой луне не только бактерии.

Что важно, концентрация кислорода в воде Европы росла на протяжении геологических эпох довольно медленно. И это также хорошо для жизни, так как предбиотические процессы, приводящие к образованию сложной органики и затем – появлению самореплицирующихся молекул (вроде РНК или ДНК), должны идти в отсутствии кислорода. Далее лишний кислород мог бы погубить самые примитивные формы жизни. Но позднее, по мере развития живого, рост уровня кислорода соответствовал бы возможностям организмов, постепенно привыкающих к столь активному элементу.

А основой всей пищевой цепи для биосферы Европы могли бы служить бактерии, питающиеся соединениями, поставляемыми гидротермальными источниками на дне (наподобие земных чёрных курильщиков).

Тут нужно сказать, что теоретически можно представить развитие жизни на этой луне и без кислорода в воде вовсе. Тогда у местных организмов был бы метаболизм, основанный только на веществах, выбрасываемых геотермальными жерлами. Но определить – что же там происходит на деле можно только на месте.

Специальный аппарат-бурильщик должен пройти многокилометровую толщу льда (оставив наверху, предварительно, станцию связи), а в воде – выпустить плавающего робота-разведчика. Таков план учёных в общих чертах. Но когда он будет реализован – никто не берётся предсказать даже приблизительно (иллюстрация с сайта dailygalaxy.com).

Последний раз с близкого расстояния на Юпитер и его спутники исследователи глядели в 2007 году, когда летящий к Плутону аппарат New Horizons совершил около газового гиганта гравитационный манёвр.

Ответить на новые вопросы, связанные с Европой, возможно, сумеет американо-европейский дуплет, который прибудет на место действия в 2026 году.

Если полученные данные укрепят учёных в своих подозрениях относительно жизни в системе Юпитера, позднее на Европу и подлёдного робота можно будет отправить. Рабочий его прототип уже прошёл испытания. Но как бы не пришлось его конструкцию пересматривать с учётом возможной встречи машины с крупными рыбинами.