Поверхность Марса хранит множество следов своего теплого и влажного прошлого: дельты рек, высохшие русла и древние озерные котловины. Поэтому, когда марсоход Curiosity обнаружил органические вещества в древних отложениях палеоозера в кратере Езеро, сразу же возник соблазн предположить, что их создала жизнь.
Однако новое исследование предполагает, что за их появление ответственны небиологические процессы.
На Земле существуют три изотопа углерода: углерод-12 (¹²C), углерод-13 (¹³C) и углерод-14 (¹⁴C). Почти весь земной углерод — это углерод-12. Он составляет 99% всего углерода на Земле, а оставшийся 1% приходится на углерод-13. (¹⁴C крайне редок и нестабилен, поэтому он распадается на азот-14.)
В 2022 году Curiosity провел анализ органического углерода в осадочных породах кратера Гейла. Органический углерод обычно описывается как атомы углерода, ковалентно связанные с атомами водорода, и является основой органических молекул. В органическом углероде могут присутствовать как ¹²C, так и ¹³C, и их соотношение имеет большое значение.
В кратере Гейла Curiosity обнаружил от 200 до 273 частей на миллион органического углерода. «Это сопоставимо или даже превышает количество, обнаруженное в породах в местах на Земле с крайне скудной жизнью, таких как некоторые районы пустыни Атакама в Южной Америке, и больше, чем было обнаружено в марсианских метеоритах», — сказала Дженнифер Стерн, учёный из Центра космических полетов имени Годдарда NASA, когда были получены результаты.
Этот углерод — важное свидетельство в понимании истории Марса. Он может рассказать ученым об атмосферных процессах и условиях окружающей среды на планете и даже пролить свет на возможность существования жизни. Фактически, понимание марсианского углерода может помочь нам понять обитаемость и пребиотическую химию на далеких экзопланетах.
Однако изотопное соотношение в этом углероде отличается от земного. В нем меньше углерода-13 по сравнению с углеродом-12. Почему такая разница?
В недавнем исследовании, опубликованном в Nature Geoscience, группа исследователей попыталась понять разницу между изотопными соотношениями углерода на Земле и Марсе. Работа называется «Синтез обедненного ¹³C органического вещества из CO в восстановительной атмосфере раннего Марса». Ведущий автор — Юитиро Уэно, биогеохимик из факультета наук о Земле и планетах Токийского технологического института.
«Недавно марсоходом Curiosity было обнаружено сильное обеднение ¹³C в осадочном органическом веществе в кратере Гейла», — пишут авторы. «Хотя это загадочное истощение остается предметом дискуссий, если оно верно, требуется механизм, вызывающий такое сильное истощение ¹³C».
Количество углерода-13 в марсианских отложениях значительно ниже, чем в земных.
«При измерении соотношения стабильных изотопов ¹³C и ¹²C марсианское органическое вещество имеет содержание ¹³C от 0,92% до 0,99% от общего количества углерода», — пояснил ведущий автор Уэно в пресс-релизе. «Это чрезвычайно мало по сравнению с земным осадочным органическим веществом, которое составляет около 1,04%, и атмосферным CO2, около 1,07%, оба из которых являются биологическими остатками и не похожи на органическое вещество в метеоритах, которое составляет около 1,05%».
Метеоритная головоломка и марсианский углерод
Данные о метеоритах важны, потому что марсианский метеорит ALH 84001 возрастом четыре миллиарда лет обогащен углеродом-13, что добавляет загадочности углеродному вопросу на Марсе. Каким-то образом за прошедшие миллиарды лет количество углерода-13 уменьшилось.
Одним из возможных объяснений истощения углерода-13 является солнечный ветер, но авторы исследования не согласны с этой версией. Вероятно, не прошло достаточно времени, чтобы значительное количество ¹³C улетучилось. «Более того, основываясь на геомагнитных наблюдениях, ранний Марс, вероятно, имел геомагнитное поле вплоть до 4 миллиардов лет назад», — пишут авторы. Это поле препятствовало бы рассеиванию атмосферы солнечным ветром.
Чтобы выяснить причину этой несостыковки, Уэно и его коллеги смоделировали различные атмосферные условия на Марсе.
Их результаты показывают, что за истощение ¹³C на Марсе отвечает изотопное фракционирование под действием солнечного ультрафиолетового излучения.
Углерод-12 и углерод-13 по-разному реагируют на ультрафиолет. Углерод-12 предпочтительно поглощает УФ-излучение, которое диссоциирует его до монооксида углерода (CO), обедненного углеродом-12. В результате остается CO2, обогащенный углеродом-13.
Ученые наблюдали этот процесс в верхних слоях атмосферы Земли и Марса. В редуцированной атмосфере Марса, где было мало кислорода, CO2, обогащенный углеродом-13, превращался бы в формальдегид и, возможно, метанол. Но эти соединения не оставались стабильными. В ранние дни Марса температура поверхности была близка к точке замерзания воды и никогда не превышала 27 градусов Цельсия. В этом температурном диапазоне формальдегид и другие соединения могли растворяться в воде, накапливаясь в осадочных породах.
Но это еще не вся история изотопов углерода на Марсе.
Исследователи использовали модели, чтобы показать, что в атмосфере Марса с соотношением CO2 к CO 90:10, 20% CO2 преобразовалось бы в CO, что привело бы к соотношению изотопов углерода в осадочных породах, которое мы наблюдаем сегодня. Оставшийся атмосферный CO2 был бы богаче углеродом-13, и оба значения соответствуют тому, что обнаружил Curiosity, а также данным по древнему марсианскому метеориту ALH 84001.
Это правдоподобный сценарий, объясняющий любопытные находки Curiosity, связанные с углеродом.
Исследование также включает в себя некоторые другие важные детали. Например, атмосферный CO мог образоваться не только в результате фотолиза под действием УФ-излучения, но и в результате вулканических извержений. И атмосферный CO, возможно, был не единственным источником органики, попавшей в осадочные породы. Но так или иначе, результаты говорят ученым о многом, что касается углеродного цикла на Марсе.
Это также говорит о том, что в будущем мы можем обнаружить больше органики в марсианских отложениях.
«Если оценка, сделанная в этом исследовании, верна, то в марсианских отложениях может присутствовать неожиданно большое количество органического материала. Это говорит о том, что будущие исследования Марса могут выявить огромные запасы органических веществ», — сказал Уэно.
Хотя исследование показывает, что для образования этой органики не обязательно нужна жизнь, оно не может исключить ее присутствие. Никто не может, по крайней мере, пока.
Исследование также показывает, насколько сложной может быть химия атмосферы и как трудно делать выводы на основе атмосферных исследований экзопланет. Телескоп «Джеймс Уэбб» исследовал атмосферы нескольких экзопланет и получил интересные результаты. Но есть еще так много того, чего мы не знаем. Это исследование напоминает нам о том, что любые выводы, вероятно, преждевременны.
Читайте также: На поверхности Марса есть дыра, и ученые понятия не имеют, что там внутри
