Phoebe Newman 
O ile wiemy, węgiel ma kluczowe znaczenie dla życia. Więc za każdym razem, gdy wykryjemy silną sygnaturę węglową gdzieś jak Mars, może to wskazywać na aktywność biologiczną.
Czy silny sygnał węglowy w skałach marsjańskich wskazuje na jakieś procesy biologiczne?
Każdy silny sygnał węglowy jest intrygujący, gdy polujesz na życie. To wspólny element we wszystkich znanych nam formach życia. Istnieją jednak różne rodzaje węgla, a węgiel może gromadzić się w środowisku z innych powodów. Nie oznacza to automatycznie, że życie jest zaangażowane w sygnatury węgla.
Atomy węgla zawsze mają sześć protonów, ale liczba neutronów może się różnić. Atomy węgla o różnej liczbie neutronów nazywane są izotopami. W naturze występują trzy izotopy węgla: C12 i C13, które są stabilne, oraz C14, radionuklid. C12 ma sześć neutronów, C13 ma siedem neutronów, a C14 ma osiem neutronów.
Jeśli chodzi o izotopy węgla, życie woli C12. Używają go w fotosyntezie lub metabolizowaniu żywności. Powód jest stosunkowo prosty. C12 ma o jeden neutron mniej niż C13, co oznacza, że gdy łączy się z innymi atomami w cząsteczki, tworzy mniej połączeń niż C13 w tej samej sytuacji. Życie jest zasadniczo leniwe i zawsze będzie szukało najłatwiejszego sposobu robienia rzeczy. C12 jest łatwiejszy w użyciu, ponieważ tworzy mniej wiązań niż C13. Łatwiej jest dotrzeć do C13, a życie nigdy nie idzie w trudną drogę, gdy dostępna jest łatwiejsza droga.
Łazik Curiosity ciężko pracuje w kraterze Mars’ Gale, szukając oznak życia. Wwierca się w skałę, wydobywa sproszkowaną próbkę i umieszcza ją w swoim pokładowym laboratorium chemicznym. Laboratorium Curiosity nazywa się SAM, co oznacza Analiza próbki w Mars. Wewnątrz SAM łazik wykorzystuje pirolizę do wypalania próbki i przekształcania węgla w skale w metan. Piroliza odbywa się w przepływie obojętnego helu, aby zapobiec zanieczyszczeniu procesu. Następnie bada gaz za pomocą przyrządu o nazwie Przestrajalny spektrometr laserowy aby dowiedzieć się, jakie izotopy węgla znajdują się w metanie.
Narzędzie Sample Analysis at Mars nazywa się SAM. SAM składa się z trzech różnych instrumentów, które wyszukują i mierzą organiczne związki chemiczne i lekkie pierwiastki, które są ważnymi składnikami potencjalnie związanymi z życiem. Źródło: NASA/JPL-Caltech
Zespół odpowiedzialny za SAM Curiosity przyjrzał się 24 próbkom skał w tym procesie i niedawno odkrył coś godnego uwagi. Sześć próbek wykazało podwyższony stosunek C12 do C13. W porównaniu z ziemskim wzorcem odniesienia dla stosunków C12/C13, próbki z tych sześciu miejsc zawierały ponad 70 części na tysiąc więcej C12. Na Ziemi 98,93% węgla to C12 Ziemia, a C13 tworzy pozostałe 1,07%.
Wyniki przedstawiono w nowym badaniu opublikowanym w Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Jej tytuł to „Zubożone składy izotopów węgla zaobserwowane w kraterze Gale na Marsie.Głównym autorem jest Christopher House, naukowiec Curiosity z Penn State University.
To ekscytujące odkrycie, a gdyby te wyniki zostały uzyskane na Ziemi, zasygnalizowałyby, że proces biologiczny wytworzył obfitość C12.
Na starożytnej Ziemi bakterie powierzchniowe wytwarzały metan jako produkt uboczny. Nazywają się metanogeny, i są prokariotami z domeny Archaea. Metanogeny są nadal obecne na Ziemi, na beztlenowych terenach podmokłych, w przewodach pokarmowych przeżuwaczy i ekstremalnych środowiskach, takich jak gorące źródła.
Bakterie te wytwarzają metan, który przedostaje się do atmosfery, oddziałując ze światłem ultrafioletowym. Te interakcje wytwarzają bardziej złożone molekuły, które spadają na powierzchnię Ziemi. Są zachowane w skałach Ziemi, wraz z ich sygnaturą węglową. To samo mogło wydarzyć się na Marsie, a gdyby tak się stało, mogłoby to wyjaśnić odkrycia Curiosity.
Ale to jest marzec. Jeśli historia poszukiwania życia na Marsie coś nam mówi, to nie wyprzedzanie samych siebie.
„Znajdujemy na Marsie rzeczy, które są kusząco interesujące, ale naprawdę potrzebowalibyśmy więcej dowodów, aby stwierdzić, że zidentyfikowaliśmy życie” – powiedział Paul Mahaffy, były główny badacz z Curiosity’s Sample Analysis w marsjańskim laboratorium. „Więc zastanawiamy się, co jeszcze mogło spowodować sygnaturę węglową, którą widzimy, jeśli nie życie”.
Curiosity wykonał tę 360-stopniową panoramę 9 sierpnia 2018 r. na Vera Rubin Ridge. Kredyty: NASA/JPL-Caltech/MSSS
W swoim artykule autorzy piszą: „Istnieje wiele prawdopodobnych wyjaśnień anomalii uszczuplenia 13C obserwowany w wyewoluowanym metanie, ale żadne pojedyncze wytłumaczenie nie może być zaakceptowane bez dalszych badań.”
Jedną z trudności w zrozumieniu takich sygnatur węgla jest tak zwane odchylenie Ziemi. Większość tego, co naukowcy wiedzą o chemii atmosfery i powiązanych rzeczach, opiera się na Ziemi. Więc jeśli chodzi o nowo wykrytą sygnaturę węglową na Marsie, naukowcom może być trudno utrzymać umysły otwarte na nowe możliwości, które mogą nie istnieć na Marsie. Mówi nam o tym historia poszukiwania życia na Marsie.
„Najtrudniejszą rzeczą jest odpuszczenie Ziemi i porzucenie tego uprzedzenia, które mamy, i naprawdę próba zgłębienia podstaw chemii, fizyki i procesów środowiskowych na Marsie” – powiedziała astrobiolog Goddard Jennifer L. Eigenbrode, która uczestniczyła w badaniu badanie węgla. Wcześniej Eigenbrode kierował międzynarodowym zespołem naukowców z Curiosity w wykrywaniu niezliczonych cząsteczek organicznych — zawierających węgiel — na powierzchni Marsa.
„Musimy otworzyć nasze umysły i myśleć nieszablonowo”, powiedział Eigenbrode, „i to właśnie robi ten artykuł”.
Naukowcy wskazują w swoim artykule na dwa niebiologiczne wyjaśnienia niezwykłej sygnatury węglowej. Jedna dotyczy chmur molekularnych.
Hipoteza obłoku molekularnego mówi, że nasz Układ Słoneczny przeszedł przez obłok molekularny setki milionów lat temu. To rzadkie zdarzenie, ale zdarza się mniej więcej raz na 100 milionów lat, więc naukowcy nie mogą tego pominąć. Obłoki molekularne to głównie wodór cząsteczkowy, ale jeden z nich mógł być bogaty w rodzaj lżejszego węgla wykrytego przez Curiosity w kraterze Gale. Chmura spowodowałaby ochłodzenie Marsa, powodując w tym scenariuszu zlodowacenie. Chłodzenie i zlodowacenie zapobiegłyby mieszaniu się lżejszego węgla w obłokach molekularnych z innym węglem Marsa, tworząc osady podwyższonego C12. W artykule stwierdzono, że „topienie lodowca w okresie glacjalnym i cofanie się lodu po nim powinno pozostawić cząstki pyłu międzygwiazdowego na powierzchni geomorfologicznej lodowca”.
Hipoteza pasuje, ponieważ Curiosity znalazł niektóre z podwyższonych poziomów C12 na szczytach grzbietów – takich jak szczyt Vera Rubin Ridge – i inne wysokie punkty w kraterze Gale. Próbki zostały zebrane z „… różnych litologii (mułowca, piasku i piaskowca) i są czasowo rozłożone w trakcie dotychczasowych operacji misji” – czytamy w artykule. Mimo to hipoteza chmury molekularnej jest mało prawdopodobnym łańcuchem zdarzeń.
Łazik NASA Curiosity uniósł swoje ramię robota z wiertłem skierowanym w niebo, podczas eksploracji Vera Rubin Ridge u podstawy Mount Sharp wewnątrz krateru Gale – w tle odległej krawędzi krateru. Ta mozaika z kamery Navcam została zszyta z nieprzetworzonych zdjęć wykonanych w dniu 2 października 2017 roku i pokolorowana. Źródło: NASA/JPL/Ken Kremer/kenkremer.com/Marco Di Lorenzo.
Inna niebiologiczna hipoteza dotyczy światła ultrafioletowego. Atmosfera Marsa składa się w ponad 95% z dwutlenku węgla iw tym scenariuszu światło UV wchodziłoby w interakcję z gazowym dwutlenkiem węgla w atmosferze Marsa, wytwarzając nowe cząsteczki zawierające węgiel. Cząsteczki spadłyby na powierzchnię Marsa i stałyby się tam częścią skały. Ta hipoteza jest podobna do tego, w jaki sposób metanogeny pośrednio wytwarzają C12 na Ziemi, ale jest całkowicie abiotyczna.
„Wszystkie trzy wyjaśnienia pasują do danych” — powiedział główny autor Christopher House. „Po prostu potrzebujemy więcej danych, aby je wykluczyć lub wykluczyć”.
Ta liczba z badania pokazuje trzy hipotezy, które mogą wyjaśniać sygnaturę węgla. Kolor niebieski pokazuje biologicznie wytworzony metan z wnętrza Marsa, który po fotolizie powoduje osadzanie się zubożonego w 13C materiału organicznego. Kolor pomarańczowy pokazuje reakcje fotochemiczne zachodzące w świetle UV, które mogą prowadzić do powstania różnych produktów atmosferycznych, z których część osadza się jako materiał organiczny z łatwo rozrywanymi wiązaniami chemicznymi. Kolor szary przedstawia hipotezę obłoku molekularnego. Źródło: House i in. 2022.
„Na Ziemi procesy, które mogłyby wytworzyć sygnał węglowy, który wykrywamy na Marsie, są biologiczne” – dodał House. „Musimy zrozumieć, czy to samo wyjaśnienie działa na Marsa, czy też istnieją inne wyjaśnienia, ponieważ Mars jest bardzo inny”.
Prawie połowa próbek Curiosity miała nieoczekiwanie podwyższony poziom C12. Są nie tylko wyższe niż stosunek Ziemi; są wyższe niż naukowcy odkryli w marsjańskich meteorytach i marsjańskiej atmosferze. Próbki pochodziły z pięciu miejsc w Kraterze Gale, a wszystkie lokalizacje miały jedną wspólną cechę: mają starożytne, dobrze zachowane powierzchnie.
Jak powiedział Paul Mahaffy, odkrycia są „kusząco interesujące”. Ale naukowcy wciąż dowiadują się o obiegu węgla na Marsie, a jest wiele rzeczy, o których wciąż nie wiemy. Kuszące jest przyjęcie założeń dotyczących obiegu węgla na Marsie na podstawie obiegu węgla na Ziemi. Ale węgiel może krążyć przez Marsa w sposób, którego nawet jeszcze nie przewidzieliśmy. Niezależnie od tego, czy ta sygnatura węglowa stanie się sygnałem do życia, czy nie, nadal jest to cenna wiedza, jeśli chodzi o zrozumienie sygnatury węglowej Marsa.
„Zdefiniowanie obiegu węgla na Marsie jest absolutnie kluczem do zrozumienia, w jaki sposób życie może pasować do tego cyklu” – powiedział Andrew Steele, naukowiec Curiosity z Carnegie Institution for Science w Waszyngtonie, DC „Zrobiliśmy to naprawdę skutecznie na Ziemi , ale dopiero zaczynamy definiować ten cykl dla Marsa”.
Ale nie jest łatwo wyciągnąć wnioski na temat Marsa na podstawie obiegu węgla na Ziemi. Steele wyjaśnił to, kiedy powiedział: „Istnieje ogromny fragment obiegu węgla na Ziemi, który obejmuje życie, a z powodu życia jest fragment obiegu węgla na Ziemi, którego nie możemy zrozumieć, ponieważ wszędzie, gdzie spojrzymy, jest życie.”
Łazik Perseverance NASA poszukuje śladów starożytnego życia na Marsie w kraterze Jezero. Wyniki z Curiosity mogą być przydatne w działaniach związanych z pobieraniem próbek przez Perseverance. Źródło: NASA/JPL-Caltech/MSSS
Curiosity nadal działa na Marsie i jeszcze przez jakiś czas. Znaczenie tych próbek, wraz z lepszym zrozumieniem obiegu węgla na Marsie, jest przed nami. Ciekawość będzie pobierać próbki skał do pomiaru stężenia izotopów węgla. Pobiera próbki skał z innych dobrze zachowanych starożytnych powierzchni, aby sprawdzić, czy wyniki są podobne do tych. Najlepiej byłoby, gdyby napotkał kolejną smugę metanu i spróbował go, ale te zdarzenia są nieprzewidywalne i nie ma sposobu, aby się na nie przygotować.
Tak czy inaczej, wyniki te pomogą w zebraniu próbki przez Perseverance w kraterze Jezero. Wytrwałość może potwierdzić podobne sygnały węglowe, a nawet określić, czy są one biologiczne, czy nie.
Wytrwałość zbiera również próbki do powrotu na Ziemię. Naukowcy będą badać te próbki skuteczniej niż laboratorium pokładowe łazika, więc kto wie, czego się nauczymy.
Starożytne życie na Marsie to kusząca perspektywa, ale przynajmniej na razie jest niepewna.
Pierwotnie opublikowany Wszechświat dzisiaj.
Aby uzyskać więcej informacji na temat tych badań, zobacz:
Odniesienie: „Zubożone składy izotopów węgla obserwowane w kraterze Gale na Marsie” Christopher H. House, Gregory M. Wong, Christopher R. Webster, Gregory J. Flesch, Heather B. Franz, Jennifer C. Stern, Alex Pavlov, Sushil K Atreya, Jennifer L. Eigenbrode, Alexis Gilbert, Amy E. Hofmann, Maëva Millan, Andrew Steele, Daniel P. Glavin, Charles A. Malespin i Paul R. Mahaffy, 17 stycznia 2022 r., Materiały Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2115651119
