Новозеландские ученые создали стадо искусственных коров для изучения выбросов метана в атмосферу. Такая новость появилась недавно в СМИ. На первый взгляд, затея кажется безумной. Тем не менее, проблема, над которой работают исследователи, более чем серьезна. Чем опасна для планеты простая молекула из одного атома углерода и четырех атомов водорода?
Горячая молекула
Одной из самых модных "страшилок", которой пугают человечество, является глобальное потепление - резкое повышение среднегодовой температуры на Земле. Последствия глобального потепления похожи на кошмарный сон: таяние ледников, затопление стран, находящихся на небольшой высоте над уровнем моря, вымирание одних видов живых существ и неконтролируемое размножение других.
В числе основных причин глобального потепления экологи называют парниковый эффект. Теоретические основы этого явления были установлены еще в XIX веке. В 1827 году французский ученый Фурье предположил, что атмосфера пропускает коротковолновое солнечное излучение, но задерживает отраженное Землей длинноволновое, в том числе тепловое.
Некоторые газы способствуют усилению парникового эффекта, поглощая и "переизлучая" инфракрасное излучение. Такие газы получили название парниковых. Самым известным парниковым газом является СО2, или углекислый газ. Однако по способности усиливать парниковый эффект он значительно уступает другому "вредителю" - метану. Эффект от тонны метана, попавшего в атмосферу, примерно равен эффекту от выделения 25 тонн углекислого газа.
Содержание метана в земной атмосфере невелико. Его концентрацию выражают в частях на миллион (ppm - parts per million). В настоящее время среднее содержание CH4 (такова химическая формула метана) оценивается в 1,8 ppm. Сама по себе эта цифра мало что говорит. Разница становится видна при ее сравнении с аналогичными показателями несколько столетий назад. Мониторинг содержания метана ведется со второй половины XX века, однако некоторые факторы позволили ученым "прикинуть" концентрацию этого газа в прошлом. До середины XVII столетия на миллион частей различных атмосферных газов приходилось 0,07 части метана. С резким увеличением числа жителей Земли этот показатель также стал расти.
Тенденция заставила ученых обратить на метан более пристальное внимание. В первую очередь исследователей интересовали источники опасного газа. По происхождению метан можно разделить на несколько групп. Естественным образом газ образуется на заболоченных территориях, в тундре, водоемах, пищеварительной системе некоторых насекомых (термиты) и позвоночных животных и в результате геохимических процессов. К антропогенным (то есть, вызванным человеческой деятельностью) факторам выделения метана относят растущие площади рисовых полей, горнодобывающую деятельность, создание свалок, сжигание отходов, добычу нефти и газа.
Несмотря на такое разнообразие, непосредственных производителей CH4 не так уж и много. Среди них различают живых и неживых. Метан, выделяющийся в результате деятельности живых организмов, получил название биогенного. Например, на рисовых полях, свалках, в болотах, пищеварительной системе жвачных и насекомых образуется именно биогенный метан. Абиогенный метан дают химические реакции с участием неорганических соединений. Соотношение между биогенным и абиогенным метаном составляет приблизительно 9:1.
Долгое время считалось, что единственными живыми существами, способными производить метан, являются бактерии. Однако в 2006 году вышла статья, авторы которой доказывали, что опасный газ могут выделять растения. Работа вызвала огромный резонанс. Многие группы исследователей пытались доказать или опровергнуть удивительные результаты. На данный момент нельзя с уверенностью сказать, являются ли растения "соучастниками" в деле снабжения атмосферы метаном.
Во всех случаях выделения биогенного метана опасные молекулы синтезируют не растения или коровы, а микроорганизмы. Бактерий, производящих в результате своей жизнедеятельности метан, называют метаногенами. В отсутствии кислорода они осуществляют ферментативную переработку клетчатки, и побочным продуктом этого процесса как раз является метан. Без подобных бактерий жвачные и термиты не смогли бы употреблять в пищу растительный материал.
Необычное сотрудничество между коровами и бактериями сделало их объектом яростной критики экологов. Призывая сокращать поголовье скота, экологи иногда предлагают весьма экзотические альтернативы. Например, австралийским промышленникам порекомендовали отказаться от производства говядины и переключиться на кенгурятину. Хотя она обладает худшими вкусовыми качествами, чем мясо коров, кенгуру выделяют значительно меньше вредного газа.
Эксперимент с искусственными коровами также должен помочь экологам в борьбе с метаном. Агрегаты воспроизводят все процессы, протекающие в пищеварительном тракте жвачных. Используя различные стратегии "кормления", ученые намерены в деталях исследовать процесс выделения газа. Со стадом настоящих коров проделать это было бы значительно сложнее.
Жизненная необходимость
Если для климата Земли метан представляет серьезную опасность (хотя не все ученые согласны с такой точкой зрения), обнаружение этого газа на других планетах вселяет в исследователей надежду. Надежду на то, что эти планеты обитаемы. В истории Земли метаногены были одними из самых ранних живых организмов, появившихся в безжизненном первичном бульоне. Именно они "подготовили" планету к появлению других обитателей. Так как ученые не знают иных форм жизни кроме земных, они априори ищут в далеком космосе именно их.
Наличие во Вселенной других обитаемых миров пока не доказано, однако исследователи сформировали ряд критериев, которые увеличивают вероятность того, что на изучаемой планете теплится (или когда-то теплилась) жизнь земного типа. Кроме достаточно жестких ограничений температуры и давления, от планеты-кандидата "требуют" наличия атмосферы.
Если эти необходимые условия выполнены, астрономы могут начинать более пристальные поиски жизни на планете. Ученые выделяют четыре так называемых биомаркера, которые должны присутствовать на обитаемых планетах. К ним относятся вода, метан, углекислый газ и кислород. Пока ни на одной из планет не были обнаружены все четыре соединения. Однако в нашем ближайшем космическом окружении есть небесное тело, несущее сразу три биомаркера. Это небесное тело - Марс.
Из замерзшего углекислого газа состоят снежные шапки Марса, наличие воды совсем недавно доказал марсианский зонд "Феникс", а вот присутствие в марсианской атмосфере метана оставалось под вопросом. Впервые этот газ "засекли" на Красной планете телескоп Мауна-Кеа на Гавайях и орбитальный зонд Mars Express.
Тем не менее, до последнего времени у астрономов не было твердой уверенности, что обнаруженный метан действительно имеет марсианское происхождение, а не является земным "загрязнением". В середине января 2009 года в журнале Science появилась работа, которая позволила однозначно "прописать" метан на Марсе. Ее авторы в течение нескольких лет изучали данные инфракрасной обсерватории NASA и телескопа Кека и смогли отделить земной метан от марсианского. Кроме того, им удалось локализовать источники CH4 и проследить их сезонную активность.
Пока ученые не могут однозначно назвать марсианский метан биогенным. Оптимисты считают, что наличие двух других биомаркеров и подходящие "климатические" условия на Марсе являются сильными доводами в пользу этой теории. Однако пока исследователи не обнаружат на Марсе ископаемые или живые организмы, писать новую главу для учебников рано.