Biologické experimenty Viking Lander - Viking lander biological experiments

Schéma systému biologických experimentů Viking Lander

V roce 1976 dva identické přistávací moduly programu Viking přenesly na povrch Marsu čtyři typy biologických experimentů . První úspěšní přistávači na Marsu, Viking 1 a Viking 2 , poté prováděli experimenty s cílem hledat biologické podpisy mikrobiálního života na Marsu . Každý přistávač použil robotickou ruku k vyzvednutí a umístění vzorků půdy do zapečetěných testovacích nádob na plavidle.

Oba přistávači provedli stejné testy na dvou místech povrchu Marsu, Viking 1 poblíž rovníku a Viking 2 dále na sever.

Experimenty

Čtyři níže uvedené experimenty jsou uvedeny v pořadí, v jakém je provedli dva vikingští landers. Vedoucím biologického týmu pro vikingský program byl Harold P. Klein (NASA Ames).

Plynový chromatograf - hmotnostní spektrometr

Plynový chromatograf - hmotnostní spektrometr ( GCMS ) je zařízení, které se oddělí plynné komponenty chemicky pomocí plynového chromatografu a pak se přivádí výsledek do hmotnostního spektrometru , který měří molekulové hmotnosti každého chemického. Díky tomu dokáže oddělit, identifikovat a kvantifikovat velké množství různých chemikálií. GCMS (PI: Klaus Biemann , MIT) byl použit k analýze složek neošetřené marťanské půdy, a zejména těch složek, které se uvolňují při zahřívání půdy na různé teploty. Mohlo by to měřit molekuly přítomné na úrovni několika částí na miliardu.

GCMS nemělo žádné významné množství organických molekul v marťanské půdě. Ve skutečnosti bylo zjištěno, že marťanské půdy obsahují méně uhlíku než neživé měsíční půdy vrácené programem Apollo . Tento výsledek bylo obtížné vysvětlit, pokud byl za pozitivní výsledky pozorovaný experimentem s označeným uvolňováním zodpovědný marťanský bakteriální metabolismus (viz níže). Učebnice astrobiologie z roku 2011 uvádí, že to byl rozhodující faktor, kvůli kterému „Pro většinu vikingských vědců byl konečný závěr, že vikingské mise nezjistily život na marťanské půdě“.

Experimenty provedené v roce 2008 přistávačem Phoenixu objevily přítomnost chloristanu v marťanské půdě. Učebnice astrobiologie z roku 2011 pojednává o důležitosti tohoto zjištění s ohledem na výsledky získané Vikingem jako „zatímco chloristan je příliš chudým oxidačním činidlem na reprodukci výsledků LR (za podmínek tohoto experimentu chloristan neoxiduje organické látky), ale oxiduje, a tak zničit organické látky při vyšších teplotách používaných v experimentu Viking GCMS. Astrobiolog NASA Chris McKay ve skutečnosti odhadl, že pokud by ve vzorcích Vikingů byly přítomny hladiny chloristanu podobné Phoenixu , organický obsah marťanské půdy by mohl mít dosahovaly až 0,1% a stále by vedly k (falešnému) negativnímu výsledku, který GCMS vrátil. I když tedy konvenční moudrost ohledně vikingských biologických experimentů stále ukazuje na „žádný důkaz života“, v posledních letech došlo alespoň k malému posun k „neprůkazným důkazům“. "

Podle tiskové zprávy NASA z roku 2010: „Jedinými organickými chemikáliemi, které byly identifikovány při přistání Vikingů při ohřívání vzorků marťanské půdy, byly chlormethan a dichlormethan - sloučeniny chloru interpretované v té době jako pravděpodobné kontaminanty z čisticích kapalin.“ Podle dokumentu vytvořeného týmem vedeným Rafaelem Navarrem-Gonzálezem z Národní autonomní univerzity v Mexiku „tyto chemikálie jsou přesně tím, co [jejich] nová studie zjistila, když byl do pouštní půda z Chile obsahující organické látky a analyzována způsobem vikingských testů. " V tiskové zprávě NASA z roku 2010 se však také uvádí, že: „Jedním z důvodů, proč byly chlorované organické látky nalezené Vikingem interpretovány jako kontaminující látky ze Země, bylo to, že poměr dvou izotopů chloru v nich odpovídal poměru tři ku jedné pro tyto izotopy na Zemi. "Jejich poměr na Marsu zatím nebyl jasně určen. Pokud se zjistí, že je hodně odlišný od pozemského, podpořilo by to interpretaci 70. let." Biemann napsal kritický komentář k papíru Navarro-González a McKay, na který ti druzí odpověděli; burza byla zveřejněna v prosinci 2011.

Výměna plynu

Experiment výměny plynu ( GEX ) (PI: Vance Oyama , NASA Ames) hledal plyny uvolňované inkubovaným půdním vzorkem tak, že nejprve nahradil marťanskou atmosféru heliem inertního plynu . Aplikovalo kapalný komplex organických a anorganických živin a doplňků na vzorek půdy, nejprve jen s přidanými živinami, poté také s vodou. Přístroj pravidelně odebíral vzorky z atmosféry inkubační komory a pomocí plynového chromatografu měřil koncentrace několika plynů, včetně kyslíku , CO ₂ , dusíku , vodíku a metanu . Vědci předpokládali, že metabolizující organismy buď spotřebují nebo uvolní alespoň jeden z měřených plynů.

Na začátku listopadu 1976 bylo oznámeno, že „na Viking 2 experiment s výměnou plynů přináší analogické výsledky jako z Vikinga 1. Opět kyslík zmizel, když se živný roztok dostal do kontaktu s půdou. Opět se začal objevovat oxid uhličitý a stále se vyvíjí “.

Označené vydání

Experiment se značeným uvolňováním ( LR ) (PI: Gilbert Levin , Biospherics Inc.) dal největší příslib exobiologům . V experimentu LR byl vzorek marťanské půdy naočkován kapkou velmi zředěného vodného živného roztoku. Živiny (7 molekul, které byly produkty Miller-Urey ) byly označeny radioaktivním ¹⁴ C. Vzduch nad půdou byl monitorován na vývoj radioaktivního plynu ¹⁴ CO ₂ (nebo jiného uhlíku) jako důkaz, že mikroorganismy v půdě měly metabolizuje jednu nebo více živin. Takový výsledek měl být následován kontrolní částí experimentu, jak je popsáno níže pro PR. Výsledek byl docela překvapením, vzhledem k negativním výsledkům prvních dvou testů, kdy půda bezprostředně po první injekci uvolňovala stálý proud radioaktivních plynů. Experiment byl proveden oběma vikingskými sondami, první s použitím vzorku z povrchu vystaveného slunečnímu světlu a druhá sonda odebrala vzorek zpod skály; obě počáteční injekce byly pozitivní. Kontrolní sterilizační testy byly následně provedeny zahříváním různých vzorků půdy. Vzorky zahřívané po dobu 3 hodin na 160 ° C nevydávaly žádný radioaktivní plyn, když byly injektovány živiny, a vzorky zahřívané po dobu 3 hodin při 50 ° C vykazovaly podstatné snížení radioaktivního plynu uvolněného po vstřikování živin. Vzorek skladovaný několik měsíců při 10 ° C byl později testován a vykazoval výrazně snížené uvolňování radioaktivního plynu.

Článek CNN z roku 2000 uvádí, že „Ačkoli většina jeho vrstevníků dospěla k závěru jinak, Levin stále zastává názor, že testy robotů, které koordinoval na přistávacím modulu Viking z roku 1976, naznačovaly přítomnost živých organismů na Marsu“. Učebnice astrobiologie z roku 2006 uvádí, že „U nesterilizovaných pozemských vzorků by však přidání dalších živin po počáteční inkubaci produkovalo ještě více radioaktivního plynu, protože spící bakterie začaly působit, aby spotřebovaly novou dávku jídla. To neplatilo pro marťanská půda; na Marsu druhá a třetí injekce živin nevyvolaly žádné další uvolňování značeného plynu. “ Vydání téže učebnice z roku 2011 uvádí, že „Albet Yen z Jet Propulsion Laboratory ukázal, že za extrémně chladných a suchých podmínek a v atmosféře oxidu uhličitého ultrafialové světlo (pamatujte: Marsu chybí ozónová vrstva, takže povrch je koupán v ultrafialovém záření) může způsobit reakci oxidu uhličitého s půdou za vzniku různých oxidačních činidel, včetně vysoce reaktivních superoxidů (soli obsahující O ₂ ^- ) Když se smíchají s malými organickými molekulami, superoxidační činidla je snadno oxidují na oxid uhličitý, což může odpovídat výsledku LR. Superoxidová chemie může také vysvětlit záhadné výsledky pozorované při přidání dalších živin do půdy v experimentu LR; protože se život znásobuje, množství plynu by se mělo zvýšit, když byla přidána druhá nebo třetí dávka živin, ale pokud byl účinek v důsledku chemické látky spotřebované v první reakci by se neočekával žádný nový plyn. Nakonec, mnoho superoxidů je relativně nestabilních a jsou zničeny při zvýšené teplotě ures, což rovněž odpovídá za „sterilizaci“ pozorovanou v experimentu LR. “

V dokumentu z roku 2002 publikovaném Josephem Millerem spekuluje, že zaznamenaná zpoždění chemických reakcí systému ukazují na biologickou aktivitu podobnou cirkadiánnímu rytmu, který byl dříve pozorován u suchozemských sinic .

12. dubna 2012 publikoval mezinárodní tým zahrnující Levina a Patricii Ann Straatové recenzovaný dokument navrhující detekci „existujícího mikrobiálního života na Marsu“, založený na matematické spekulaci prostřednictvím klastrové analýzy experimentů s označením Label z Vikingské mise z roku 1976 .

Pyrolytické uvolnění

Experiment s pyrolytickým uvolňováním ( PR ) (PI: Norman Horowitz , Caltech) sestával z použití světla, vody a atmosféry obsahující uhlík z oxidu uhelnatého (CO) a oxidu uhličitého (CO ₂ ), což simulovalo na Marsu. Uhlíkové plyny byly vyrobeny z uhlíku-14 ( ¹⁴ C), těžkého radioaktivního izotopu uhlíku. Pokud byly přítomny fotosyntetické organismy, věřilo se, že začlení část uhlíku jako biomasu procesem fixace uhlíku , stejně jako to dělají rostliny a sinice na Zemi. Po několika dnech inkubace experiment odstranil plyny, upečil zbývající půdu při 650 ° C (1200 ° F) a shromáždil produkty v zařízení, které počítalo radioaktivitu. Pokud by některý ze ¹⁴ C byl přeměněn na biomasu, byl by během zahřívání odpařen a počítadlo radioaktivity by to detekovalo jako důkaz života. Pokud by byla získána pozitivní odpověď, duplikát vzorku stejné půdy by se zahřál, aby se „sterilizoval“. Poté by byl testován jako kontrola a pokud by stále vykazoval aktivitu podobnou první reakci, byl to důkaz, že aktivita má chemickou povahu. Důkazem biologie však byla nulová nebo výrazně snížená odpověď. Stejná kontrola měla být použita pro jakýkoli ze tří experimentů detekce života, které vykazovaly pozitivní počáteční výsledek. Počáteční hodnocení výsledků experimentu Viking 1 PR bylo, že „analýza výsledků ukazuje, že došlo k malé, ale významné tvorbě organické hmoty“ a že sterilizovaná kontrola neprokázala žádné organické látky, což ukazuje, že „nálezy lze přičíst biologická aktivita. " Vzhledem k perzistenci organického uvolňování při 90 ° C, inhibici organických látek po vstřikování vodní páry a zejména chybějící detekci organických látek na marťanské půdě experimentem GCMS však vyšetřovatelé dospěli k závěru, že nebiologické vysvětlení PR výsledky byly velmi pravděpodobné. Avšak v následujících letech, kdy jsou výsledky GCMS stále více pod drobnohledem, jsou výsledky experimentů s pyrolytickým uvolňováním opět považovány za možná v souladu s biologickou aktivitou, ačkoli „Vysvětlení zjevné malé syntézy organické hmoty v pyrolytickém uvolňování experiment zůstává nejasný. "

Vědecké závěry

Organické sloučeniny se zdají být běžné například na asteroidech, meteoritech, kometách a ledových tělesech obíhajících kolem Slunce, takže detekce jakékoli stopy organické sloučeniny na povrchu Marsu byla překvapením. GC-MS rozhodně fungoval, protože kontroly byly účinné a byl schopen detekovat stopy chloru, připisované čisticím rozpouštědlům, která byla použita ke sterilizaci před spuštěním. V roce 2018 byla provedena opětovná analýza dat GC-MS, což naznačuje, že ve skutečnosti mohly být detekovány organické sloučeniny, což potvrzuje data z roveru Curiosity . V té době způsobila úplná absence organického materiálu na povrchu výsledky biologických experimentů, protože tyto experimenty byly určeny k detekci metabolismu zahrnujícího organické sloučeniny. Obecná vědecká komunita se domnívá, že Vikingovy biologické testy zůstávají neprůkazné a že je lze vysvětlit čistě chemickými procesy

Navzdory pozitivnímu výsledku z experimentu s Labeled Release, obecné hodnocení je, že výsledky pozorované ve čtyřech experimentech lze nejlépe vysvětlit oxidačními chemickými reakcemi s marťanskou půdou. Jedním ze současných závěrů je, že na marťanské půdě, která byla nepřetržitě vystavena UV záření ze Slunce (Mars nemá ochrannou ozónovou vrstvu ), se vytvořila tenká vrstva velmi silného oxidantu . Dostatečně silná oxidační molekula by reagovala s přidanou vodou za vzniku kyslíku a vodíku a se živinami za vzniku oxidu uhličitého (CO ₂ ).

Norman Horowitz byl vedoucím sekce biologické vědy Jet Propulsion Laboratory pro mise Mariner a Viking v letech 1965 až 1976. Horowitz usoudil, že velká univerzálnost atomu uhlíku z něj činí prvek, který s největší pravděpodobností poskytuje řešení, i exotická řešení problémů o přežití života na jiných planetách. Domníval se však také, že podmínky na Marsu jsou neslučitelné se životem na bázi uhlíku.

V srpnu 2008 přistávací modul Phoenix detekoval chloristan , silné oxidační činidlo při zahřátí nad 200 ° C. To bylo původně považováno za příčinu falešně pozitivního výsledku LR. Výsledky experimentů publikovaných v prosinci 2010 však naznačují, že organické sloučeniny „mohly být přítomny“ v půdě analyzované Vikingem 1 i 2 , protože přistávací modul Phoenix v NASA v roce 2008 detekoval chloristan, který může rozkládat organické sloučeniny. Autoři studie zjistili, že chloristan může při zahřívání ničit organické látky a produkovat jako vedlejší produkt chlormethan a dichlormethan , identické sloučeniny chloru objevené oběma vikingskými přistávači, když prováděli stejné testy na Marsu. Protože chloristan by rozbil všechny marťanské organické látky, je otázka, zda Viking našel organické sloučeniny, stále otevřená, protože jsou možné alternativní chemické a biologické interpretace.

V roce 2013 provedl astrobiolog Richard Quinn v Amesově centru experimenty, ve kterých se zdálo, že aminokyseliny reagující s chlornanem, který vzniká při ozařování chloristanu gama paprsky, reprodukují nálezy experimentu se značeným uvolňováním. Došel k závěru, že k vysvětlení výsledků vikingských biologických experimentů není zapotřebí ani peroxid vodíku, ani superoxid. Podrobnější studii provedl v roce 2017 tým výzkumníků včetně Quinna. Přestože tato studie nebyla konkrétně navržena tak, aby odpovídala údajům z experimentu LR, bylo zjištěno, že chlornan může částečně vysvětlit výsledky kontroly, včetně sterilizačního testu při 160 ° C. Autoři uvedli „Plánují se další experimenty s cílem charakterizovat tepelnou stabilitu chlornanu a dalších druhů oxychloru v kontextu experimentů LR.“

Kontroverze

Před objevem chloristanu oxidačního činidla na Marsu v roce 2008 zůstaly některé teorie proti obecnému vědeckému závěru. Vyšetřovatel navrhl, že biologická vysvětlení nedostatku zjištěných organických látek pomocí GC-MS by mohlo být, že se oxidační soupis H ₂ O ₂ -H ₂ O rozpouštědla také překročena redukční schopnost organických sloučenin organismů.

Rovněž bylo argumentováno, že experiment s označeným uvolňováním (LR) detekoval tak málo metabolizujících organismů v marťanské půdě, že by bylo nemožné, aby je plynový chromatograf detekoval. Tento názor předložil designér experimentu LR Gilbert Levin, který věří, že pozitivní výsledky LR jsou diagnostické pro život na Marsu. On a další provedli pokračující experimenty pokoušející se reprodukovat vikingská data, ať už s biologickými nebo nebiologickými materiály na Zemi. Přestože žádný experiment nikdy přesně neduplikoval výsledky testů a kontrol Mars LR, experimenty s oxidem titaničitým nasyceným peroxidem vodíku přinesly podobné výsledky.

Zatímco většina astrobiologů stále dochází k závěru, že biologické experimenty Vikingů byly neprůkazné nebo negativní, Gilbert Levin není sám, kdo věří v opak. Současný požadavek na život na Marsu je založen na starých důkazech přehodnocených ve světle nedávného vývoje. V roce 2006 vědec Rafael Navarro prokázal, že vikingským biologickým experimentům pravděpodobně chyběla citlivost na detekci stopových množství organických sloučenin. V článku publikovaném v prosinci 2010 vědci naznačují, že pokud by byly přítomny organické látky, nebyly by detekovány, protože když se půda zahřívá, aby zkontrolovala organické látky, chloristan je rychle ničí a produkuje chlormethan a dichlormethan, což našli vikingští landers . Tento tým také poznamenává, že to není důkaz života, ale mohlo by to mít vliv na to, jak vědci v budoucnu hledají organické biosignatury . Výsledky současné mise Mars Science Laboratory a rozpracovaného programu ExoMars mohou pomoci tuto kontroverzi urovnat.

V roce 2006 Mario Crocco zašel tak daleko, že navrhl vytvoření nové nomenklaturní pozice, která klasifikuje některé vikingské výsledky jako „ metabolické “, a tedy reprezentativní pro novou formu života. Taxonomie navržená Crocco nebyla vědeckou komunitou akceptována a platnost Croccoovy interpretace závisela zcela na nepřítomnosti oxidačního činidla na marťanské půdě.

Podle Gilberta Levina a Patricie Ann Straatové, vyšetřovatelů experimentu LR, žádné vysvětlení zahrnující anorganickou chemii od roku 2016 není schopno poskytnout uspokojivá vysvětlení úplných údajů z experimentu LR a konkrétně se zabývat otázkou, jaké aktivní činidlo na půdě vzorky by mohly být nepříznivě ovlivněny zahřátím na přibližně 50 ° C a zničeny dlouhodobým skladováním ve tmě při 10 ° C, jak naznačují údaje.

Kritiky

James Lovelock tvrdil, že vikingská mise by udělala lépe prozkoumání marťanské atmosféry než pohled do půdy. On se domníval, že celý život má tendenci vypuzovat odpadní plyny do atmosféry, a jako takový by bylo možné teoretizovat existenci života na planetě detekcí atmosféry, která nebyla v chemické rovnováze. Došel k závěru, že v té době bylo dost informací o atmosféře Marsu, aby se snížila možnost života tam. Od té doby byl metan objeven v atmosféře Marsu na 10ppb, čímž byla tato debata znovu otevřena. Přestože v roce 2013 vozítko Curiosity nedokázalo detekovat metan na svém místě v úrovních přesahujících 1,3ppb. později v roce 2013 a v roce 2014 měření Curiosity detekovalo metan, což naznačuje časově proměnný zdroj. ExoMars Trace Gas Orbiter , která byla zahájena v březnu 2016, realizuje tento přístup a zaměří na detekci, charakterizaci prostorové a časové variace, a lokalizace zdroje pro širokou sadu atmosférických stopových plynů na Marsu a pomoci určit, zda jejich vznik biologických nebo geologický původ. Mars Orbiter mise se také pokouší -Od pozdní 2014- detekovat a mapovat metanu na Marsu atmosféru. Komentář tisku tvrdil, že pokud na vikingských přistávacích plochách žil život, mohl být zabit výfukovými plyny z přistávacích raket. To není problém pro mise, které přistávají pomocí kapsle chráněné airbagem , zpomalené padáky a retrorokety a spadlé z výšky, která umožňuje výfuku rakety vyhnout se povrchu. Mars Pathfinder je Sojourner vozítko a Mars Exploration Rovers každý používá tuto vstupní techniku úspěšně. Phoenix Scout Lander sestoupil na povrch s retro-rakety, nicméně, byla jejich palivo hydrazin , a konečné produkty vlečky (voda, dusík a amoniak) nebylo zjištěno, že mají vliv zeminy na místa přistání.

Současné a budoucí mise

Urey design

Otázka života na Marsu nebude pravděpodobně zcela vyřešena, dokud budoucí mise na Mars buď přesvědčivě neprokáží přítomnost života na planetě, neidentifikují chemikálie, které jsou odpovědné za vikingské výsledky, nebo obojí. Mars Science Laboratory misi přistál Curiosity rover dne 6. srpna 2012, a jeho cíle patří zkoumání Marsu klimatu , geologii a zda Mars mohl někdy podporovaný život , včetně vyšetřování role vody a planetární obyvatelnosti . Astrobiologický výzkum na Marsu bude pokračovat pomocí ExoMars Trace Gas Orbiter v roce 2016, roveru Mars 2020 Perseverance v roce 2021 a pozdějšího roveru Rosalind Franklin .

V roce 2008 byl na Marsu provozován termální a vyvíjený plynový analyzátor , který dokázal chemicky analyzovat 8 vzorků.

Nástroj Urey byl financovanou studií pro citlivý detektor organických sloučenin, ale nebyl odeslán na Mars, ale byl zvažován pro program ExoMars v roce 2000.

Navrhované mise

Biologické Oxidant a Life Detection (tučně) je navrhován mise Mars, která by navazovat na Viking půdních testů pomocí několika malý dopad Landers. Dalším návrhem je Icebreaker Life se sídlem ve Phoenixu .

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy

( zobrazit • diskutovat )

Interaktivní mapa obraz o globální topografii Marsu , překryto s umístěním Mars míst Lander a Rover . Po najetí myší na obrázek se zobrazí názvy více než 60 významných geografických prvků a kliknutím na ně odkazujete. Zbarvení základní mapy ukazuje relativní nadmořskou výšku na základě údajů z laserového výškoměru Mars Orbiter na Mars Global Surveyor NASA . Bílé a hnědé označují nejvyšší nadmořské výšky (+12 až +8 km ); následuje růžová a červená (+8 až +3 km ); žlutá je0 km ; greeny a blues jsou nižší nadmořské výšky (až do−8 km ). Osy jsou zeměpisná šířka a délka ; Polární oblasti jsou zaznamenány.

(Viz také: mapa Marsu ; mapa / seznam Mars Memorials )

(   Aktivní ROVER •  Neaktivní •  Aktivní LANDER •  Neaktivní •  Budoucnost )

← Beagle 2 (2003)

Curiosity (2012) →

Hluboký vesmír 2 (1999) →

Rosalind Franklin rover (2023) ↓

InSight (2018) →

Mars 2 (1971) →

← Mars 3 (1971)

Mars 6 (1973) →

Polar Lander (1999) ↓

↑ Příležitost (2004)

← Vytrvalost (2021)

← Phoenix (2008)

Schiaparelli EDM (2016) →

← Sojourner (1997)

Duch (2004) ↑

↓ Zhurong (2021)

Viking 1 (1976) →

Viking 2 (1976) →