Насколько нам известно, углерод имеет решающее значение для жизни. Поэтому каждый раз, когда мы обнаруживаем сильную углеродную сигнатуру 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 интригует, когда вы ищете жизнь. Это общий элемент всех известных нам форм жизни. Но существуют разные типы углерода, и углерод может концентрироваться в окружающей среде по другим причинам. Это не означает автоматически, что жизнь связана с углеродными сигнатурами.
Атомы углерода всегда имеют шесть протонов, но количество нейтронов может варьироваться. Атомы углерода с разным числом нейтронов называются изотопами. В природе встречаются три изотопа углерода: C12 и C13, которые стабильны, и C14, радионуклид. C12 имеет шесть нейтронов, C13 — семь нейтронов, а C14 — 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 молекулы, он образует меньше соединений, чем C13 в той же ситуации. Жизнь по своей сути ленива, и она всегда будет искать самый простой способ сделать что-то. C12 легче использовать, потому что он образует меньше связей, чем C13. До него легче добраться, чем до C13, и жизнь никогда не идет трудным путем, когда доступен более легкий путь.
Марсоход Curiosity усердно работает в кратере Гейла на Марсе в поисках признаков жизни. Он бурит горную породу, извлекает измельченный образец и помещает его в бортовую химическую лабораторию. Лаборатория Curiosity называется SAM, что означает анализ образцов на Марсе. Внутри SAM марсоход использует пиролиз, чтобы запечь образец и преобразовать углерод в породе в метан. Пиролиз осуществляется в потоке инертного гелия, чтобы предотвратить любое загрязнение в процессе. Затем он исследует газ с помощью прибора, называемого перестраиваемым лазерным спектрометром, чтобы выяснить, какие изотопы углерода содержатся в метане.
Команда Curiosity SAM изучила 24 образца горных пород с помощью этого процесса и недавно обнаружила кое-что примечательное. Шесть образцов показали повышенное отношение С12 к С13. По сравнению с наземным эталоном соотношения C12/C13 образцы из этих шести мест содержали C12 более чем на 70 частей на тысячу. На Земле 98,93% углерода составляет C12 Земли, а C13 образует оставшиеся 1,07%.
Новое исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), представило результаты. Это захватывающее открытие, и если бы эти результаты были получены на Земле, они бы свидетельствовали о том, что биологический процесс привел к избытку C12.
На древней Земле поверхностные бактерии производили метан в качестве побочного продукта. Их называют метаногенами, и они прокариоты из домена архей. Метаногены все еще присутствуют сегодня на Земле, в бескислородных водно-болотных угодьях, в пищеварительном тракте жвачных животных и в экстремальных условиях, таких как горячие источники.
Эти бактерии производят метан, который попадает в атмосферу, взаимодействуя с ультрафиолетом. Эти взаимодействия производят более сложные молекулы, которые падают на поверхность Земли. Они сохранились в горных породах Земли вместе с их углеродными сигнатурами. То же самое могло произойти и на Марсе, и если бы это произошло, это могло бы объяснить открытия Curiosity.
В своей статье авторы пишут, что существует несколько правдоподобных объяснений аномально малого количества 13 C, наблюдаемого в выделяющемся метане, но ни одно объяснение не может быть принято без дальнейших исследований.
Одной из трудностей в понимании углеродных сигнатур, подобных этой, является наше так называемое земное смещение. Большая часть того, что ученые знают о химии атмосферы и связанных с ней вещах, основана на Земле. Поэтому, когда дело доходит до этой недавно обнаруженной углеродной сигнатуры на Марсе, ученым может быть сложно держать свой разум открытым для новых возможностей, которых может не быть на Марсе. История поиска жизни на Марсе говорит нам об этом.
В своей статье исследователи указывают на два небиологических объяснения необычной углеродной подписи. Один включает молекулярные облака.
Гипотеза молекулярного облака утверждает, что наша Солнечная система прошла через молекулярное облако сотни миллионов лет назад. Это редкое событие, но оно случается примерно раз в 100 миллионов лет, так что ученые не могут его сбрасывать со счетов. Молекулярные облака в основном состоят из молекулярного водорода, но, возможно, одно из них было богато более легким углеродом, обнаруженным Curiosity в кратере Гейла. Облако привело бы к резкому охлаждению Марса, что в данном сценарии вызвало бы оледенение. Охлаждение и оледенение не позволили бы более легкому углероду в молекулярных облаках смешиваться с другим углеродом Марса, создавая отложения с повышенным содержанием C12. В документе говорится, что таяние ледников в ледниковый период и отступление льда после него должны оставлять частицы межзвездной пыли на ледниковой геоморфологической поверхности.
Гипотеза подтверждается, поскольку Curiosity обнаружил некоторые из повышенных уровней C12 на вершинах хребтов, таких как вершина хребта Веры Рубин, и других высоких точках кратера Гейла. Образцы были собраны из «… различных литологических пород (аргиллит, песок и песчаник) и на сегодняшний день распределены по времени во время операций миссии», — говорится в документе. Тем не менее, гипотеза молекулярного облака представляет собой маловероятную цепь событий.
Другая небиологическая гипотеза связана с ультрафиолетовым светом. Атмосфера Марса состоит более чем на 95% из углекислого газа, и в этом сценарии ультрафиолетовый свет взаимодействовал бы с углекислым газом в атмосфере Марса, создавая новые углеродсодержащие молекулы. Молекулы выпали бы дождем на поверхность Марса и стали бы там частью горной породы. Эта гипотеза похожа на то, как метаногены косвенно производят C12 на Земле, но она полностью абиотическая.
Почти половина образцов Curiosity имели неожиданно повышенный уровень C12. Они не только выше, чем у Земли; они выше, чем ученые обнаружили в марсианских метеоритах и марсианской атмосфере. Образцы взяты из пяти мест в кратере Гейла, и у всех мест есть одна общая черта: они имеют древние, хорошо сохранившиеся поверхности.
Curiosity все еще работает на Марсе и будет еще какое-то время. Значение этих образцов, наряду с лучшим пониманием углеродного цикла Марса, еще впереди. Curiosity возьмет пробу еще одной породы для измерения концентрации изотопов углерода. Он возьмет образцы породы с других хорошо сохранившихся древних поверхностей, чтобы увидеть, будут ли результаты аналогичны этим. В идеале он наткнется на еще один шлейф метана и возьмет его пробу, но эти события непредсказуемы, и к ним невозможно подготовиться.
В любом случае, эти результаты помогут Настойчивости собрать образцы в кратере Джезеро. Настойчивость может подтвердить подобные углеродные сигналы и даже определить, являются ли они биологическими или нет.
