О пустынной Антарктиде и цветущем Марсе

[antihydrogen]

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.

Типа иллюстрация: вакуумный солнечный коллектор с тепловым стержнем.

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).

Чтобы скомпенсировать душевные страдания норильцев от первой картинки – фото норильского медно-никелевого рудника ночью. Красиво!

Comments

[max-andriyahov.livejournal.com]

Круто

[vadperez.livejournal.com]

очень интересный разбор. Может в Красноярске возьмутся.

[a-konst.livejournal.com]

"Но если подойти к вопросу внимательно, то мнение о том, что в антарктических пустынях во всех отношениях хуже, чем в любой точке Марса, оказывается не таким уж и обоснованным."

Опечатка? Может быть "лучше"?

[antihydrogen.livejournal.com]

Да, спасибо

[vitus_wagner]

А нельзя ли как-нибудь модифицировать это растение так, чтобы в полостях листа была среда, пригодная для существования немодифицированных земных млекопитающих? Т.е парциальное давление кислорода не менее половины земного (ведь на высоте 5000 м жить после акклиматизации можно).

[antihydrogen.livejournal.com]

При таком высоком давлении тепловая трубка на воде не получится.

Если уж нужны практические применения - из этих растений можно добывать горючее и окислитель для биоэлектрических батарей.

[three-l1.livejournal.com]

> была среда, пригодная для существования немодифицированных земных млекопитающих
КУРДЛЛИ :)

[livejournal.livejournal.com]

Здравствуйте! Ваша запись попала в топ-25 популярных записей LiveJournal волжского региона (http://www.livejournal.com/ratings/?rating=ru_volga). Подробнее о рейтинге читайте в Справке (https://www.dreamwidth.org/support/faqbrowse?faqid=303).

[donmigel-62.livejournal.com]

Спасибо. Очень интересное сравнение.

Опечатка - >(20 литров пара в секунду).< В сутки.

[antihydrogen.livejournal.com]

Нет, тут как раз никакой опечатки - 20 литров пара в секунду. Давление маленькое и пар очень разреженный.

[max-andriyahov.livejournal.com]

Круто

[antihydrogen.livejournal.com]

Еще раз?

[antihydrogen.livejournal.com]

Собственно, система из солнечного коллектора на поверхности и тепловой трубки с капиллярным подъемом жидкости может быть полезна и в небиологическом виде. С ее помощью на Марсе можно добывать воду из мерзлоты или греть подземные жилища.

[kcp-frm.livejournal.com]

При таких перепадах температур пригодился бы ковёр мха с эффектом памяти. Пусть бы и качал энергию солнца внутрь, а в темноте теплоизолировал. Вода бы через некоторое время сама прогрелась

Ну и на во всех смыслах вечнозеленую тему терраформиро

[antihydrogen.livejournal.com]

Если растения с такими параметрами годового прироста биомассы покроют 10% поверхности Марса, то они переработают всю наличную атмосферу на кислород приблизительно за тысячу земных лет. Поскольку углекислый газ в атмосфере в среднем находится в равновесии с твердым СО2 в шапках, превратившийся в кислород газ скорее всего будет восполнен испарением из шапок. Так что давление увеличится в два раза, и на большей части поверхности планеты сможет существовать жидкая вода (пресная).

[sergeyr.livejournal.com]

Таки круто. :)

[http://users.livejournal.com/_hellmaus_/]

Сульфаты синтезировать не обязательно, они в марсианском грунте и так есть. Еще там есть перхлораты, которые несколько ядовиты, но отлично переводятся на кислород.

[antihydrogen.livejournal.com]

Я знаю, что есть. Но их локальные запасы растение израсходует на ночное дыхание достаточно быстро. Так что лучше сделать так, чтобы растение накапливало всю попавшую к нему серу, и использовало замкнутый цикл.

Перхлораты-то легко переводятся на кислород, но умеет ли это делать земная жизнь? Хлорат-редуцирующие бактерии вообще существуют?

[akulcheg.livejournal.com]

Не совсем верно. Проблема в том, что люди, даже на планете Земля, не могут создать устойчивый мир в ограниченных линейных параметрах. Кажется в Калифорнии, была попытка лет так на 7, создать под стеклянным куполом, некую самодостаточную биосферу из различных природных биотопов. В результате чего научный эксперимент блестяще провалился. Вопрос заключается в том, что если люди не способны создать устойчивые замкнутые системы в благоприятных климатических районах, то с чего это удастся сделать на Марсе-то? Еще проще, сегодня, нет ответа на вопрос, кто же будет содержать колонию на Марсе? И сколько вся эта история колонизации далекой планеты будет вдохновлять человечество?

[antihydrogen.livejournal.com]

Дизайн того эксперимента ("Биосфера-2") был довольно дурацкий - под стеклянный купол напихали очень много разных видов, даже не попытавшись заранее обдумать, как они будут взаимодействовать друг с другом. Расчет был на саморегуляцию. Вполне возможно, что этот расчет в итоге бы действительно сработал, и образовалась бы замкнутая система. Но это система была несовместима с жизнью человека в ней - в процессе саморегуляции содержание кислорода в атмосфере начало падать, а поля не давали планировавшегося урожая из-за нашествия вредителей...

Российская серия экспериментов по созданию замкнутых экосистем - БИОС - была вполне успешна.

В природе же существует устойчивая экосистема, состоящая из всего одного организма http://elementy.ru/novosti_nauki/430872/V_nedrakh_zemli_nayden_mikrob_zhivushchiy_sam_po_sebe

[v1adis1av.livejournal.com]

Можно на ночь не осушать, если сверху тоже теплоизолировать.

[antihydrogen.livejournal.com]

Ну а фотосинтезировать тогда как? С прозрачными теплоизолирующими материалами в дикой природе напряг.

[egh0st.livejournal.com]

очень новационно, но полностью упущена засада с УФ и прочей радиацией на поверхности Марса.

На земле-то жизнь сначала в воде была и долго не выходила, скорее всего именно по причине УФ.

[antihydrogen.livejournal.com]

УФ для одноклеточных смертельно, а многоклеточные от него умеют защищаться (защитный внешний слой из мертвых клеток + УФ поглотители вроде меланина).

Прочая радиация на Марсе не сильно отличается от таковой внутри МКС. И большая часть растения спрятана на глубине нескольких метров.

[2born.livejournal.com]

Ух ты! Очень рад снова читать ваш пост!!!

[antihydrogen.livejournal.com]

Спасибо! :)

-

[inter fejs (from livejournal.com)]

Заявленные преимущества Марса над пустынями Антарктики таковым не является.
1)Тундра на широте Норильска развита вовсе не из-за меньшего количества энергии для фотосинтеза по сравнению с экватором, а из-за слишком холодного лета. Под пологом леса трава растёт зачастую всего при 5% солнечной освещённости, так что света многим земным растениям хватило бы даже на орбите Сатурна. Поэтому этим третьестепенным фактором можно смело пренебречь.
2) Теплый день совершенно бесполезен, если есть ночной мороз, тем более такой сильный, как на Марсе. Земные растения способны пережидать сильные морозы в состоянии покоя, но не вегетировать в таком состоянии. Делящиеся растительные клетки убиваются даже слабым морозом. А за день пройти весь период роста от начала до конца нереально.
3) на экваторе Марса лёд вообще-то намного глубже метра, за исключением отдельных точек на крутых склонах, где условия в свою очередь хуже, чем в оазисах земных пустынь.
4) Много СО2 это хорошо, но зато на Марсе мало азота. Просто лимитирующим фактором при газообмене будет не углекислый газ, а азот, а потери воды уменьшить всё равно не удастся.

Re: -

[antihydrogen.livejournal.com]

1) Согласен, аргумент слабоват.

2) Предполагается, что корни все время будут находится при температуре выше нуля, так что смогут спокойно расти. А надземные части растения будут испытывать короткие периоды роста за счет накопленных в корнях запасов. В течении периодов роста наземные части могут принудительно подогреваться за счет все тех же запасов.

3) Исследования говорят, что на глубине порядка 10г/см2 (это всего несколько сантиметров толщины грунта) на большей части экватора находятся слои с содержанием воды более 5%
(см. http://geology.indiana.edu/bish/Feldman.pdf, Figure 9)
Скорее всего это конечно не чистый лед, а что-то вроде гидратированных солей. Тем не менее, при нагреве эта вода вполне способна вытапливаться из грунта, что доказывается наличием упомянутых вами потоков на склонах.

4) 2% N2 в атмосфере Марса - это все же не 0.04% CO2 в атмосфере Земли. Особенно если учесть то, что основные конструкционные материалы растений - углеводы, и запасы они делают тоже в форме углеводов. Белков, а значит и азота, нужно гораздо меньше, чем CO2.

[109.livejournal.com]

Great post, please write more often!

[vashu11.livejournal.com]

// Если пористое вещество имеет размер пор много меньше [свободного пробега] ... в порах получится высокий вакуум.

Не могу понять почему. Свободный пробег определяется сечением и концентрацией. Что мешает концентрации в поре сравняться с окружающей средой? Взаимодействие молекул воздуха со стенками как в капилляре? Но тогда при чем тут длина пробега?

[antihydrogen.livejournal.com]

Вакуум, по определению, это когда длина пробега частиц газа превышает размеры сосуда, в котором он содержится. И это не какой то произвол, а связано как раз с теплопроводностью. Пока длина пробега много меньше размера сосуда - теплопроводность газов не зависит от давления. А вот когда частицы переносят тепло от одной стенки сосуда до другой за один пролет, ни разу не столкнувшись с другой частицей - теплопроводность прямо пропорциональна давлению. В стенках термосов - вакуум именно в этом смысле. Чем меньше размер сосуда - тем при большем давлении газа внутри него будет наступать состояние вакуума.

[vashu11.livejournal.com]

А еще такое растение может выпускать щупальца из нескольких сплетенных трубок. Подаем в трубки с одной стороны пар, с другой его конденсируем - щупальце изгибается. Таким образом они будут разбрасывать семена, рыхлить почву, разбивать борта земных ракет, вытаскивать землян, творить с ними всякие непотребства, отпусти меня чудо-трава.

[bob-ling.livejournal.com]

Поздравляю, всех благ! :)

[antihydrogen.livejournal.com]

Спасибо!

[2born.livejournal.com]

С днем рождения, Владислав! Здоровья вам и всех благ!

[antihydrogen.livejournal.com]

Спасибо, Владислав! :)

[antihydrogen.livejournal.com]

https://shkrobius.livejournal.com/624527.html

"... невозможно сделать пассивную мембрану, которая бы пропускала углекислоту, но не пропускала воды. Это невозможность не следует с необходимостью из законов физики или химии, и я не берусь сказать, почему это так; при этом я наверно знаю, что это так. Вся земная жизнь есть "адаптация" к этому неписанному закону. Если бы существовало исключение, за миллиарды лет оно было бы обнаружено; так как этого не произошло, я не верю, что исключение существует, хотя и не могу этого доказать.

Одно из следствий неписанного закона природы такое: фотосинтез на суше с необходимостью сопровождается потерей воды. Если углекислота заходит в лист, будет идти транспирация. Эрго: ограничение испарения (необходимое при морозах или засухах) автоматически уменьшает фотосинтез."

От меня:

В общем, растительность в пустынях не растет из-за того, что в атмосфере Земли слишком мало углекислого газа. А углекислого газа мало из-за того, что его выжрали экваториальные леса, которые имеют возможность вычерпывать углекислоту в малых концентрациях ценой потери большого количества воды.

На Марсе парциальное давление углекислого газа на порядок больше, так что потенциальная марсианская растительность будет гораздо менее требовательна к наличию воды, чем растительность земных пустынь.