Поверхность Марса демонстрирует множество свидетельств своего теплого и водного прошлого. Дельты, древние русла озер и высохшие речные русла многочисленны. Когда марсоход Curiosity обнаружил органическое вещество в древних отложениях палеоозера кратера Джезеро, возник соблазн заключить, что это вещество создала жизнь.
Однако новые исследования показывают, что за это ответственны неживые процессы.
На Земле существует три изотопа углерода: углерод-12 (12С), углерод-13 (13С) и углерод-14 (14С). Углерод Земли почти полностью состоит из углерода-12. Он составляет 99% углерода на Земле, а углерод-13 составляет оставшийся 1%. (14C чрезвычайно редок и нестабилен, поэтому распадается на азот-14.)
В 2022 году MSL Curiosity провел инвентаризацию органического углерода в отложениях кратера Гейла. Органический углерод обычно описывают как атомы углерода, ковалентно связанные с атомами водорода, и он является основой органических молекул. Углерод в органическом углероде может быть либо углеродом-12, либо углеродом-13, и их количество важно. В кратере Гейла «Кьюриосити» обнаружил от 200 до 273 частей на миллион органического углерода. «Это сопоставимо или даже больше, чем количество, обнаруженное в камнях в очень бедных местах на Земле, таких как часть пустыни Атакама в Южной Америке, и больше, чем было обнаружено в марсианских метеоритах», — сказала Дженнифер Стерн, исследователь Ученый-космонавт в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА, когда пришли результаты.
Этот углерод является важным свидетельством в понимании истории Марса. Он может рассказать ученым об атмосферных процессах планеты и условиях окружающей среды и даже пролить свет на потенциальную жизнь. Фактически, понимание марсианского углерода может помочь нам понять обитаемость и пребиотическую химию на далеких экзопланетах. Соотношение изотопов в этом углероде иное, чем на Земле. Он имеет меньшее количество углерода-13 по сравнению с углеродом-12 по сравнению с Землей. Почему такое несоответствие?
В недавнем исследовании Nature Geoscience группа исследователей попыталась понять разницу между соотношением изотопов углерода на Земле и на Марсе. Работа называется «Синтез 13Обедненное углеродом органическое вещество из CO в восстановительной ранней марсианской атмосфере». Ведущий автор — Юитиро Уэно, биогеохимик факультета наук о Земле и планетах Токийского технологического института.
«Сильный 13Истощение содержания углерода в осадочном органическом веществе в кратере Гейла недавно было обнаружено марсоходом Curiosity», — пишут авторы. «Хотя это загадочное истощение остается дискуссионным, если оно правильное, механизм, вызывающий такое сильное 13Требуется истощение запасов углерода».
Количество углерода-13 в марсианских отложениях значительно ниже, чем в земных.
«Измерив соотношение стабильных изотопов 13C и 12C, марсианское органическое вещество имеет содержание 13C от 0,92% до 0,99% от углерода, из которого оно состоит», — пояснил ведущий автор Уэно в пресс-релизе. «Это чрезвычайно мало по сравнению с осадочным органическим веществом Земли, которое составляет около 1,04%, и атмосферным CO2, около 1,07%, которые являются биологическими остатками и не похожи на органическое вещество в метеоритах, которое составляет около 1,05%».
Данные о метеорите важны, потому что марсианский метеорит возрастом четыре миллиарда лет под названием ALH 84001 обогащен углеродом-13, что еще больше расширяет загадку марсианского углерода. Каким-то образом за прошедшие миллиарды лет количество углерода-13 истощилось. Уход солнечной энергии является одной из возможных причин истощения запасов углерода-13, но авторы не принимают это во внимание. Вероятно, не хватило времени для того, чтобы улетучиться достаточное количество углерода-13. «Более того, согласно геомагнитным наблюдениям, ранний Марс, вероятно, имел геомагнитное поле до 4 млрд лет назад», — пишут авторы. Это поле предотвратило бы выход Солнца.
Чтобы определить, что стоит за этим несоответствием, Уэно и его коллеги смоделировали различные атмосферные условия Марса, чтобы увидеть, что произойдет.
Их результаты показывают, что фракционирование изотопов под действием солнечного ультрафиолета является причиной истощения запасов 13C на Марсе.
Углерод-12 и углерод-13 по-разному реагируют на ультрафиолет. Углерод-12 преимущественно поглощает УФ-излучение, что диссоциирует его на монооксид углерода, обедненный углеродом-12. Остается CO2, обогащенный углеродом-13.
Ученые наблюдали этот процесс в верхних слоях атмосферы Земли и Марса. В восстановительной атмосфере Марса, где кислород был обеднен, CO2, обогащенный углеродом-13, превратился бы в формальдегид и, возможно, в метанол. Но эти соединения не оставались стабильными. В первые дни существования Марса температура поверхности была близка к точке замерзания воды и никогда не превышала примерно 27 градусов Цельсия (80 F). В этом температурном диапазоне формальдегид и другие соединения могли растворяться в воде. Оттуда они собрались в отложениях.
Но это не конец истории марсианского изотопа углерода.
Исследователи использовали модели, чтобы показать, что в атмосфере Марса с соотношением CO2 к CO 90:10 20% CO2 превратилось бы в CO, что привело к тому соотношению изотопов углерода в осадках, которое мы наблюдаем сегодня. Оставшийся в атмосфере CO2 будет выше у C-13, и оба значения соответствуют данным Curiosity и древнему марсианскому метеориту ALH 84001.
Это правдоподобный сценарий, который может объяснить любопытные открытия Curiosity об углероде.
Исследование команды также включает в себя некоторые другие важные детали. Например, атмосферный CO, возможно, образовался не только в результате фотолиза под действием УФ-излучения. Некоторые из них могли возникнуть в результате извержений вулканов. И атмосферный CO, возможно, не был единственным источником органических веществ, попавших в отложения. Но в любом случае результаты говорят ученым кое-что об углеродном цикле Марса.
Это также говорит нам о том, что в будущем нам следует ожидать обнаружения большего количества органики в марсианских отложениях.
«Если оценка этого исследования верна, в марсианских отложениях может присутствовать неожиданное количество органического материала. Это говорит о том, что будущие исследования Марса могут обнаружить большие количества органического вещества», — сказал Уэно.
Хотя исследования показывают нам, что для производства этой органики не обязательно наличие жизни, оно не может исключать существование жизни. Никто не может, по крайней мере, пока.
Исследование также показывает, насколько сложной может быть химия атмосферы и насколько сложно делать выводы на основе атмосферных исследований экзопланет. JWST исследовал атмосферы нескольких экзопланет и нашел несколько интересных результатов. Но мы так многого не знаем. Это исследование является напоминанием о том, что любые выводы, вероятно, преждевременны.
