Марсианский зонд Curiosity обнаружил сильную углеродную сигнатуру в скальном слое — это может указывать на биологическую активность

Насколько нам известно, углерод имеет решающее значение для жизни. Поэтому каждый раз, когда мы обнаруживаем сильный углеродный след где-то вроде Марса, это может указывать на биологическую активность.

Указывает ли сильный углеродный сигнал в марсианских породах на какие-то биологические процессы?

Любой сильный углеродный сигнал интересен, когда вы ищете жизнь. Это общий компонент всей жизни, какой мы ее знаем. Но существуют разные виды углерода, и углерод может концентрироваться в окружающей среде по другим причинам. Это не означает автоматически, что жизнь участвует в углеродном следе.

Атомы углерода всегда имеют шесть протонов, но количество нейтронов может варьироваться. Атомы углерода с разным числом нейтронов называются изотопами. В природе существует три изотопа углерода: C12 и C13, которые являются стабильными изотопами, и C14, которые являются радионуклидами. C12 содержит шесть нейтронов, C13 содержит семь нейтронов, а C14 содержит восемь нейтронов.

Когда дело доходит до изотопов углерода, жизнь предпочитает C12. Они используют его в фотосинтезе или для метаболизма пищи. Причина относительно проста. C12 имеет на один нейтрон меньше, чем C13, а это означает, что когда он связывается с другими атомами в молекулах, он образует меньше соединений, чем C13 в том же положении. Жизнь в основном ленива, и вы всегда будете стремиться к самому простому способу делать что-то. C12 легче использовать, потому что он образует меньше связей, чем C13. Легче добраться до C13, и жизнь никогда не идет трудным путем, когда доступен более легкий путь.

Curiosity усердно работает в марсианском кратере Гейл в поисках признаков жизни. Он раскапывает камни, извлекает измельченный образец и помещает его в бортовую химическую лабораторию. Лаборатория Curiosity называется SAM, что означает Анализ проб на Марсе. Внутри SAM марсоход использует пиролиз, чтобы запечь образец и преобразовать углерод в породе в метан. Пиролиз осуществляется в инертном потоке гелия, чтобы предотвратить любое загрязнение в процессе. Затем он исследует газ с помощью прибора под названием перестраиваемый лазерный спектрометр Выяснить изотопы углерода, присутствующие в метане.

Прибор для анализа проб на Марсе называется SAM. SAM состоит из трех различных инструментов, которые ищут и измеряют органические химические вещества и легкие элементы, потенциально важные компоненты жизни. Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.

Команда, стоящая за системой SAM Curiosity, изучила 24 образца горных пород и недавно обнаружила кое-что примечательное. Шесть образцов показали повышенный уровень C12-C13. По сравнению с наземным эталоном соотношения C12/C13 образцы из этих шести мест содержали более 70 частей на тысячу C12. На Земле 98,93% углерода составляет С12 Земли, а С13 составляет оставшиеся 1,07%.

Новое исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), представляет результаты. Его названиеОбедненный изотопный состав углерода наблюдался в кратере Гейла на Марсе.Ведущий автор — Кристофер Хаус, исследователь любопытства из Университета штата Пенсильвания.

Это захватывающее открытие, и если бы эти результаты были получены на Земле, они указывали бы на то, что биологический процесс произвел большое количество C12.

На древней Земле пелагические бактерии производили метан в качестве побочного продукта. Их называют метаногены, которые являются прокариотами домена Archaea. Метаногены до сих пор встречаются на Земле, в заболоченных местах с низким содержанием кислорода, в пищеварительном тракте жвачных животных и в суровых условиях, таких как горячие источники.

Эти бактерии производят метан, который попадает в атмосферу и вступает в реакцию с ультрафиолетовым излучением. Эти взаимодействия производят более сложные молекулы, которые падают на поверхность Земли. Они сохранились в горных породах Земли вместе с их углеродными следами. То же самое могло произойти и на Марсе, и если бы это произошло, это могло бы объяснить открытия Curiosity.

Но это Марс. Если история поиска жизни на Марсе что-то и говорит нам, так это не то, что нам следует забегать вперед.

«Мы находим интересные вещи на Марсе, но нам действительно нужно больше доказательств, чтобы сказать, что мы идентифицировали жизнь», — сказал Пол Махаффи, бывший главный исследователь, анализирующий образцы Curiosity в Марсианской лаборатории. «Итак, мы смотрим, что могло быть причиной наблюдаемой нами углеродной сигнатуры, если не жизнь».

Curiosity сделал этот 360-градусный панорамный снимок 9 августа 2018 года на хребте Веры Рубин. Источник: NASA/JPL-Caltech/MSSS.

В своей статье авторы написали: «Существует несколько правдоподобных объяснений для тех, кто аномально истощен. ¹³C наблюдается в выделяющемся метане, но ни одно объяснение не может быть принято без дальнейших исследований. «

Одной из трудностей в понимании углеродных следов, подобных этим, является так называемое смещение земли. Большая часть того, что ученые знают о химии атмосферы и связанных с ней вещах, основана на Земле. Поэтому, когда дело доходит до недавно обнаруженной углеродной сигнатуры на Марсе, ученым бывает трудно держать свой разум открытым для новых возможностей, которых может не быть на Марсе. История поиска жизни на Марсе говорит нам об этом.

Об этом сообщила астробиолог Годдарда Дженнифер Л. Эйгенброд, которая участвовала в исследовании углерода. Ранее Эйгенброде возглавлял международную группу ученых Curiosity, обнаруживших бесчисленное количество органических молекул, содержащих углерод, на поверхности Марса.

«Нам нужно открыть наши умы и мыслить нестандартно, и это то, что делает эта статья», — сказал Эйгенброд.

В своей статье исследователи процитировали два небиологических объяснения необычной углеродной сигнатуры. Один из них связан с молекулярными облаками.

Гипотеза молекулярного облака утверждает, что наша Солнечная система прошла через молекулярное облако сотни миллионов лет назад. Это редкое событие, но оно случается раз в 100 миллионов лет, поэтому ученые не могут его исключить. Молекулярные облака в основном состоят из молекулярного водорода, но они могут быть богаты более легким типом углерода Curiosity, обнаруженным в кратере Гейла. Облако могло значительно охладить Марс, что в этом сценарии вызвало оледенение. Охлаждение и обледенение не позволяли более легкому углероду в молекулярных облаках смешиваться с другим углеродом Марса, создавая отложения повышенного содержания углекислого газа. В документе говорится, что «таяние ледников в течение ледникового периода и последующее отступление льда должны оставлять частицы межзвездной пыли на геоморфологической поверхности».

Гипотеза подтверждается, поскольку Curiosity обнаружил несколько высоких уровней C12 на вершинах хребтов, таких как хребет Веры Рубин, и других высоких точках кратера Гейла. Образцы были собраны из «… различных горных пород (аргиллит, песок и песчаник) и были предварительно распределены во время операций миссии до настоящего времени», — говорится в документе. Однако гипотеза молекулярного облака представляет собой маловероятную цепь событий.

Марсоход НАСА Curiosity поднимает свою роботизированную руку со сверлом, направленным в небо, когда он исследует хребет Веры Рубин у подножия горы Шарп внутри кратера Гейл — на фоне далекого края кратера. Эта мозаика с камеры Navcam собрана из необработанных изображений, сделанных 2 октября 2017 года в 1833 соле, и раскрашена. Предоставлено: НАСА/Лаборатория реактивного движения/Кен Крамер/kenkremer.com/Марко ДиЛоренцо.

Другая небиологическая гипотеза связана с ультрафиолетовым светом. Марсианская атмосфера содержит более 95% углекислого газа, и в этом случае ультрафиолетовый свет может реагировать с углекислым газом в марсианской атмосфере, что приводит к образованию новых углеродсодержащих частиц. Частицы выпали бы дождем на Марс и стали бы частью горных пород. Эта гипотеза похожа на то, как метаногены косвенно производят C12 на Земле, но она полностью абиотическая.

«Все три объяснения соответствуют данным», — сказал ведущий автор Кристофер Хаус. «Нам просто нужно больше данных, чтобы исключить или исключить их».

Этот рисунок из исследования проясняет три гипотезы, которые могут объяснить углеродную подпись. Синим цветом показан биологически произведенный метан из недр Марса, который осаждал истощенное органическое вещество при температуре 13 ° C после фотолиза. Оранжевый показывает фотохимические реакции с помощью ультрафиолетового света, которые могут привести к образованию многих атмосферных продуктов, некоторые из которых могут отлагаться в виде органических веществ с легко разрушаемыми химическими связями. Серый показывает гипотезу молекулярного облака. Кредит: Хаус и др. 2022.

«На Земле процессы, которые производят углеродный сигнал, который мы обнаруживаем на Марсе, являются биологическими процессами», — добавил Хаус. «Мы должны понять, работает ли то же самое объяснение для Марса или есть другие объяснения, потому что Марс совершенно другой».

Примерно половина образцов Curiosity содержала неожиданно высокие уровни C12. Мало того, что это выше доли Земли; Это выше, чем то, что ученые обнаружили в марсианских метеоритах и ​​марсианской атмосфере. Образцы были взяты из пяти мест в кратере Гейла, и все места имели одну общую черту: у них были хорошо сохранившиеся древние крыши.

Как сказал Пол Махаффи, результаты «впечатляюще интригуют». Но ученые все еще изучают углеродный цикл на Марсе, а мы все еще мало знаем. Заманчиво делать предположения об углеродном цикле на Марсе, основываясь на углеродном цикле на Земле. Но углерод может циркулировать по Марсу способами, о которых мы еще не догадывались. Является ли эта углеродная сигнатура в конечном счете признаком жизни, по-прежнему является ценным знанием, когда дело доходит до понимания углеродной сигнатуры Марса.

«Определение углеродного цикла на Марсе абсолютно необходимо для понимания того, как жизнь может вписаться в этот цикл», — сказал Эндрю Стил, исследователь из Института науки Карнеги в Вашингтоне, округ Колумбия. «Мы успешно сделали это на Земле, но мы только начинаем определять этот цикл для Марса».

Но делать выводы о Марсе на основании круговорота углерода на Земле непросто. Стил объяснил это, когда сказал: «Есть большая часть углеродного цикла на Земле, которая включает в себя жизнь, и из-за жизни есть большая часть углеродного цикла на Земле, которую мы не понимаем, потому что куда бы мы ни посмотрели, есть жизнь. .»

Марсоход NASA Perseverance ищет признаки древней жизни на Марсе в кратере Джезеро. Результаты Curiosity могут быть использованы для проведения персистентной выборки. Авторы и права: NASA/JPL-Caltech/MSSS

Curiosity все еще работает на Марсе и будет еще какое-то время. Значение этих образцов, наряду с лучшим пониманием углеродного цикла на Марсе, впереди. Curiosity возьмет больше образцов горных пород для измерения концентрации изотопов углерода. Вы возьмете образцы камней с других древних, хорошо сохранившихся поверхностей, чтобы убедиться, что результаты аналогичны. В идеале он наткнулся бы на другой столб метана и взял бы его пробы, но эти события непредсказуемы, и к ним невозможно подготовиться.

В любом случае, эти результаты помогут в сборе образцов стойкости в кратере Джезеро. Настойчивость может подтвердить подобные углеродные сигналы и даже определить, являются ли они биологическими.

Perseverance также собирает образцы для возвращения на Землю. Ученые будут изучать эти образцы более активно, чем это делает лаборатория на марсоходе, так что кто знает, что мы узнаем.

Древняя жизнь на Марсе — заманчивая возможность, но пока, по крайней мере, это не точно.

Первоначально опубликовано в Вселенная сегодня.

Для получения дополнительной информации об этом исследовании см.:

Ссылка: «Состав обедненных изотопов углерода, наблюдаемый в кратере Гейла, Марс» Кристофера Х. . Атриа, Дженнифер Л. Эйгенброд, Алексис Гилберт, Эми Э. Хоффман, Маева Милан, Эндрю Стил, Дэниел Б. Главин, Чарльз А. Малспин и Пол Р. Махаффи, 17 января 2022 г., Труды Национальной академии наук.
DOI: 10.1073/pnas.2115651119