О пустынной Антарктиде и цветущем Марсе

Есть такой критический аргумент на идеи заселения Марса генномодифицированными под его условия организмами: если это возможно, почему земная жизнь самостоятельно не заселила, например, сухие долины Мак-Мердо в Антарктиде, природные условия в которых все же полегче Марса? И даже в обычных, теплых земных пустынях, жизнь выживает с большим трудом.
Но если подойти к вопросу внимательно, то мнение о том, что в антарктических пустынях во всех отношениях приятней, чем в любой точке Марса, оказывается не таким уж и обоснованным.



Попробуем составить список преимуществ околоэкваториальных областей Марса по сравнению с антарктическими пустынями:

1) Среднегодовой поток энергии на горизонтальный квадратный метр равен среднегодовому потоку на Земле на широте 65 градусов. На Земле на этой широте находится тундра. Пресловутый Норильск стоит на 69 с.ш. Правда, поток энергии летом в тундре значительно выше (fan fact: среднесуточный поток на земном полюсе летним солнцестоянием в 1.25 раза выше, чем на экваторе Земли). Но среднегодовой поток определяет максимально возможный прирост за счет фотосинтеза.

2) Температура днем иногда достигает +30С, в том время как рекорд в долинах МакМердо за все время наблюдения +15С. Максимальная дневная температура выше нуля четыре марсианских месяца в году (в отличии от экватора Земли, температура на экваторе Марсе существенно меняется в течении года из-за большого эксцентриситета его орбиты).

Еще пара преимуществ по сравнению не с антарктическими, а с обычными горячими земными пустынями:

3) Вода (замороженная) всего на глубине одного метра.

4) Давление углекислого газа в атмосфере Марса в 30 раз превышает давление углекислого газ в атмосфере Земли, что сильно облегчает вопрос со снабжением фотосинтезирующих растений CO2 без потерь воды (остроактуальный для растений земных пустынь вопрос).

Очевидные, но незначительные преимущества закончились, перейдем к неочевидным, но значительным:

5) Средняя длина свободного пробега молекул в атмосфере Марса – 6 мкм (в земной - 60 нм). Если пористое вещество имеет размер пор много меньше 6 мкм, при марсианском давлении в порах получится высокий вакуум. Размер клеток растений – порядка 10 мкм, так что теплопроводность коры пробкового дуба в атмосфере Марса не будет существенно отличаться от таковой на Земле. Но вот скажем материал из сушеных бактерий может иметь там теплопроводность ниже тепловодности воздуха (на Земле таким свойством обладают только некоторые типы аэрогеля, у которых размер пор составляет десятки нанометров).

6) То, что вода при марсианском давлении кипит при температуре близкой к нулю – не только проблема, но и возможность – испарение и конденсация воды могут быть использованы для эффективного переноса тепла по принципу тепловой трубки.




Итак, попробуем представить марсианское растение, полученное путем минимальных изменений из земных. Клуб «Безумный изобретатель» снова открывает свои гостеприимные, обитые теплым мягким войлоком двери.

На поверхности находятся только большие плоские пухлые листья, лежащие прямо на грунте. Листья полые, а снаружи покрыты герметизирующим воском. Нижний слой листа представляет собой толстый слой пористого вещества и обеспечивает термоизоляцию от земли внутрилистовой газонаполненной полости. Верхний слой тонкий, черный и содержит фотосинтезирующие клетки. Давление внутри межслойной полости в два раза превышает среднемарсианское, благодаря чему вода кипит при 10С. Такое давление на порядок меньше давления в человеческих кровеносных сосудах, так что оболочка листа легко его выдерживает.

При нагреве от солнечного света с внутренней поверхности верхнего слоя листа испаряется вода, пар проходит из внутрилистовой полости по полому стеблю в корни и конденсируется в жидкую воду, нагревая окружающие корень породы и плавя лед в них. Образовавшейся при фотосинтезе кислород так же частично уходит к корням, где используется для окисления серы с образованием сульфатов. Вода от корней к листьям поступает традиционным для растений способом – по капиллярам.

К вечеру капилляры перекрываются, листья высыхают, а затем замерзают. Внутренняя полость стебля также перекрывается клапаном, не давая упасть давлению пара в полостях корней. Хранилище теплой воды сохраняет корни от замерзания ночью, а жизнедеятельность клеток корней поддерживается за счет реакции окисления углеводородов с помощью кислорода из сульфатов (с восстановлением серы). Утром верхний слой листа быстро прогревается Солнцем за счет своего малого альбедо, хорошей теплоизоляции от грунта и малой теплоемкости (обеспеченной его вечерним высушиванием). В него начинает поступать вода от корней, лист оживает, и цикл повторяется.

Углекислый газ для фотосинтеза должен попасть во внутреннюю полость листьев. Но какие-то специальные усилия для этого не нужны – фотосинтез опустит содержание CO2 в полости до минимального приемлемого для растений (то есть до парциального давления CO2 в атмосфере Земли), так что возникнет сильный перепад давлений CO2 между внутренней полостью листа и атмосферой. Углекислый газ начнет просачиваться внутрь, используя любые микропоры в оболочке листа. Разность давлений водяного пара внутри и снаружи листа по нашему построению вдвое больше разности давлений CO2, так что платой за поступление CO2 внутрь будет утечка вдвое большего объема H2O наружу, но это терпимо. Эти потери малы по сравнению с количеством воды, требующимся растению просто для построения своих тканей.

Корни под землей растут, разветвляются и выходят на поверхность в других точках, где выпускают новые пучки листьев. К периоду бурь формируются шарообразные плоды с толстой легкой коркой и ядром, заполненным углеводами и сульфатами. Плоды ветром, как перекати-поле, докатываются до нового места (давление ветра на Марсе во время бурь приблизительно эквивалентно давлению ветерка со скоростью 1 м/с на Земле, но если плод очень легкий, этого хватит). Когда буря заканчивается, плоды, прогревшись на солнце до частичного размораживания, размораживаются полностью, добывая энергию из углеводов и сульфатов, и отращивают корни и листья.

Немного бесполезных количественных оценок. В полдень на Марсе с квадратного метра листьев будет получаться 700 граммов пара/час (20 литров пара в секунду). Теплоты, выделившейся при конденсации этого пара, хватит для растапливания 5 кг льда. За это же время за счет фотосинтеза (при типичном КПД 1%) будет наращено около 1 грамма сухой массы углеводов (для чего понадобится извлечь около 50 литров СО2 из марсианской атмосферы). Считая, что поверхностная плотность листа 1 кг/м2, получим, что площадь листьев может удваиваться каждые 1000 часов фотосинтеза (при 8 часах в день - 2 марсианских месяца, половина условного лета).

Еще раз обращу внимание, что данное растение на Земле будет нежизнеспособно, так как для его функционирования нужно очень низкое давление (обеспечивающее кипение воды при околонулевой температуре, что делает возможным эффективную перекачку тепла с помощью пара), и высокая концентрация углекислого газа в атмосфере (позволяющая его поглощать из атмосферы без больших потерь воды).