好奇号火星探测器在岩床中发现强烈的碳特征-可能表明生物活动

据我们所知，碳对生命至关重要。 因此，任何时候我们在火星等地方检测到强烈的碳足迹，它都可能表明生物活动。

火星岩石中强烈的碳信号是否表明某种生物过程？

当你在寻找生命时，任何强烈的碳信号都很有趣。 正如我们所知，它是所有生命的共同组成部分。 但是有不同类型的碳，碳可能由于其他原因而集中在环境中。 这并不自动意味着生命与碳足迹有关。

碳原子总是有六个质子，但中子的数量可以变化。 具有不同中子数的碳原子称为同位素。 天然存在三种碳同位素：稳定同位素 C12 和 C13，以及放射性核素 C14。 C12 包含 6 个中子，C13 包含 7 个中子，C14 包含 8 个中子。

说到碳同位素，生命更喜欢 C12。 他们将其用于光合作用或代谢食物。 原因比较简单。 C12比C13少一个中子，这意味着当它与分子中的其他原子结合时，在相同位置上的连接比C13少。 生活基本上是懒惰的，你总是会争取最简单的做事方式。 C12 更易于使用，因为它形成的键比 C13 少。 到达 C13 更容易，当有更简单的方法可用时，生活永远不会变得艰难。

好奇号在火星的盖尔陨石坑中努力工作，寻找生命迹象。 他挖掘岩石，提取粉碎样品，并将其放入船上的化学实验室。 好奇实验室被称为SAM，它代表 火星样本分析. 在 SAM 内部，火星车利用热解来烘烤样品并将岩石中的碳转化为甲烷。 热解在惰性氦气流中进行，以防止过程中的任何污染。 然后它用一种叫做 可调谐激光光谱仪 找出甲烷中存在的碳同位素。

Mars 的样品分析仪器称为 SAM。 SAM 由三种不同的仪器组成，用于搜索和测量可能是生命的重要组成部分的有机化学物质和轻元素。 图片来源：NASA/JPL-Caltech

SAM Curiosity 系统背后的团队在这个过程中查看了 24 个岩石样本，最近发现了一些值得注意的东西。 其中六个样本显示 C12 至 C13 水平升高。 与基于地球的 C12/C13 比率参考标准相比，这六个地点的样本中 C12 的含量超过 70 ppm。 在地球上，98.93% 的碳是地球上的 C12，而 C13 占剩余的 1.07%。

发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS) 上的一项新研究展示了这一结果。 它的标题是在火星的盖尔陨石坑中观察到耗尽的碳同位素组成。主要作者是宾夕法尼亚州立大学的好奇心科学家克里斯托弗·豪斯。

这是一个令人兴奋的发现，如果这些结果是在地球上获得的，它们将表明生物过程产生了丰富的 C12。

在古代地球上，远洋细菌产生甲烷作为副产品。 他们被称为 产甲烷菌，它们是域古生菌的原核生物。 今天，在地球上、低氧湿地、反刍动物的消化道以及温泉等恶劣环境中仍然可以发现产甲烷菌。

这些细菌产生甲烷，进入大气并与紫外线发生反应。 这些相互作用会产生更复杂的分子，这些分子会落到地球表面。 它们与碳足迹一起保存在地球的岩石中。 同样的事情可能发生在火星上，如果发生了，它可以解释好奇号的发现。

但这是火星。 如果在火星上寻找生命的历史告诉了我们什么，那并不是我们应该超越自己。

“我们在火星上发现了有趣的东西，但我们确实需要更多的证据来证明我们已经确定了生命，”火星实验室分析好奇号样本的前首席研究员保罗·马哈菲说。 “所以我们正在研究我们所看到的碳特征的原因，如果不是生命的话。”

好奇号于 2018 年 8 月 9 日在维拉鲁宾岭拍摄了这张 360 度全景照片。 资料来源：NASA / JPL-Caltech / MSSS

作者在他们的论文中写道：“对于那些异常耗竭的人，有多种合理的解释 ¹³在不断演变的甲烷中观察到 C，但如果没有进一步的研究，就无法接受任何单一的解释。 “

理解此类碳足迹的一个困难是所谓的地面偏差。 科学家们对大气化学和相关事物的大部分了解都是基于地球的。 因此，当谈到火星上新发现的碳特征时，科学家们会发现很难对火星上可能不存在的新可能性保持开放态度。 在火星上寻找生命的历史告诉我们这一点。

参与碳研究的戈达德天体生物学家詹妮弗·艾根布罗德说。 此前，Eigenbrode 带领一个由好奇号科学家组成的国际团队在火星表面发现了无数的有机分子——含碳。

“我们需要敞开心扉，跳出框框思考，这就是本文所做的，”Eigenbrod 说。

研究人员在他们的论文中引用了两个非生物学解释来解释不寻常的碳特征。 其中之一涉及分子云。

分子云假说指出，我们的太阳系在数亿年前穿过了一个分子云。 这是一个罕见的事件，但它每亿年发生一次，因此科学家不能排除它。 分子云主要是分子氢，但可能富含在盖尔陨石坑中发现的较轻类型的碳好奇号。 云可能已经显着冷却了火星，导致在这种情况下发生冰川作用。 冷却和结冰会阻止分子云中较轻的碳与火星的其他碳混合，从而形成升高的二氧化碳沉积物。 该论文指出，“冰川期的冰川融化和冰期后退的冰应该会在地貌表面留下星际尘埃颗粒”。

由于好奇号在山脊顶部（例如维拉鲁宾山脊）和盖尔陨石坑的其他高点发现了一些高 C12 水平，因此该假设成立。 这些样本是从“……各种岩石（粘土岩、沙子和砂岩）中收集的，并在迄今为止的任务行动期间临时分发”，该论文称。 然而，分子云假说是一个不太可能的事件链。

美国宇航局的好奇号火星车举起机械臂，钻头指向天空，探索盖尔陨石坑内夏普山脚下的维拉鲁宾山脊——背景是远处的陨石坑边缘。 这张 Navcam 相机马赛克由 2017 年 10 月 2 日在 Sol 1833 拍摄的原始图像拼接而成，并已着色。 图片来源：NASA/JPL/Ken Kramer/kenkremer.com/Marco DiLorenzo。

另一个非生物学假设涉及紫外线。 火星大气中含有超过 95% 的二氧化碳，在这种情况下，紫外线可能会与火星大气中的二氧化碳气体发生反应，从而产生新的含碳颗粒。 这些粒子会像雨点一样落在火​​星上，成为那里岩石的一部分。 这个假设类似于产甲烷菌如何在地球上间接产生 C12，但它完全是非生物的。

“所有三种解释都符合数据，”主要作者克里斯托弗豪斯说。 “我们只需要更多数据来排除或排除它们。”

该研究中的这个数字阐明了可以解释碳特征的三个假设。 蓝色显示来自火星内部的生物产生的甲烷，在光解后 13°C 沉淀出耗尽的有机物。 橙色通过紫外光显示光化学反应，可产生许多大气产物，其中一些可能以有机物质的形式沉积，化学键很容易断裂。 格雷展示了分子云假说。 信用：豪斯等人。 2022 年。

“在地球上，产生我们在火星上检测到的碳信号的过程是生物过程，”豪斯补充道。 “我们必须了解相同的解释是否适用于火星，或者是否有其他解释，因为火星完全不同。”

好奇号大约一半的样本中含有出乎意料的高水平 C12。 不仅高于地球的比例； 它比科学家在火星陨石和火星大气中发现的要高。 样本来自盖尔陨石坑的五个地点，所有地点都有一个共同点：它们都有保存完好的古老屋顶。

正如 Paul Mahaffy 所说，结果“令人印象深刻”。 但科学家们仍在了解火星上的碳循环，我们仍然知之甚少。 根据地球上的碳循环对火星上的碳循环做出假设是很诱人的。 但碳可能以我们尚未猜到的方式在火星中循环。 在了解火星的碳特征时，这种碳特征最终是否是生命的迹象仍然是有价值的知识。

华盛顿特区卡内基科学研究所的好奇心科学家安德鲁斯蒂尔说：“定义火星上的碳循环绝对是试图了解生命如何适应该循环的关键。” “我们已经在地球上成功地做到了这一点，但我们才刚刚开始为火星定义这个周期。”

但要根据地球上的碳循环来得出关于火星的结论并不容易。 斯蒂尔解释了这一点，他说：“地球上碳循环的很大一部分包括生命，由于生命，地球上碳循环的很大一部分是我们不了解的，因为我们所看到的每一个地方都有生命。”

美国宇航局的毅力号火星车在杰泽罗陨石坑寻找火星上古代生命的迹象。 好奇号的结果可以为持久性抽样活动提供信息。 图片来源：NASA/JPL-Caltech/MSSS

好奇号仍在火星上运行，并将持续一段时间。 这些样本的意义，以及对火星碳循环的更好理解，都摆在面前。 好奇号将采集更多岩石样本来测量碳同位素浓度。 它将从其他古老的、保存完好的表面取样岩石，看看结果是否与那些相似。 理想情况下，它会遇到另一个甲烷柱并对其进行采样，但这些事件是不可预测的，没有办法为此做好准备。

无论哪种方式，这些结果都将有助于在 Jezero Crater 收集持久性样本。 毅力可以确认类似的碳信号，甚至确定它们是否是生物的。

毅力号也在收集样本返回地球。 科学家们将比火星车上的实验室更积极地研究这些样本，所以谁知道我们会学到什么。

火星上的古代生命是一种诱人的可能性，但至少目前还不确定。

最初发表于 今天的宇宙.

有关这项研究的更多信息，请参阅：

参考：“在火星盖尔陨石坑观察到的贫碳同位素组成”，Christopher H. . Atria、Jennifer L. Eigenbrod、Alexis Gilbert、Amy E. Hoffman、Maeva Milan、Andrew Steel、Daniel B. Glavin、Charles A. Malspin 和 Paul R. Mahaffey，2022 年 1 月 17 日， 美国国家科学院院刊.
DOI：10.1073/pnas.2115651119