Наскільки нам відомо, вуглець має вирішальне значення для життя. Тому щоразу, коли ми виявляємо сильний вуглецевий сигнатур десь, наприклад на Марсі, це може вказувати на біологічну активність.
Чи сильний сигнал вуглецю в марсіанських породах вказує на якісь біологічні процеси?
Будь-який сильний вуглецевий сигнал інтригує, коли ви полюєте за життям. Це загальний елемент у всіх формах життя, які ми знаємо. Але існують різні типи вуглецю, і вуглець може концентруватися в навколишньому середовищі з інших причин. Це не означає автоматично, що життя бере участь у вуглецевих сигнатурах.
Атоми вуглецю завжди мають шість протонів, але кількість нейтронів може змінюватися. Атоми Карбону з різною кількістю нейтронів називають ізотопами. У природі зустрічаються три ізотопи вуглецю: C12 і C13, які є стабільними, і C14, радіонуклід. C12 має шість нейтронів, C13 має сім нейтронів, а C14 має вісім нейтронів.
Коли справа доходить до ізотопів вуглецю, життя віддає перевагу C12. Вони використовують його для фотосинтезу або для метаболізму їжі. Причина відносно проста. C12 має на один нейтрон менше, ніж C13, а це означає, що, коли він зв’язується з іншими атомами в молекули, він створює менше з’єднань, ніж C13 в тій же ситуації. Життя по суті ліниве, і воно завжди буде шукати найпростіший спосіб зробити речі. C12 легший у використанні, оскільки він менше утворює зв’язки, ніж C13. Це легше отримати, ніж C13, і життя ніколи не йде на важкий шлях, коли доступний простіший шлях.
Марсохід Curiosity наполегливо працює в кратері Марса Гейл, шукаючи ознак життя. Він бурить породу, витягує подрібнений зразок і поміщає його у свою бортову хімічну лабораторію. Лабораторія Curiosity називається SAM, що означає Аналіз проб на Марсі. Всередині SAM марсохід використовує піроліз для випікання зразка та перетворення вуглецю в породі в метан. Піроліз проводиться в потоці інертного гелію, щоб запобігти будь-якому забрудненню в процесі. Потім він зондує газ за допомогою приладу під назвою Настроюваний лазерний спектрометр з’ясувати, які ізотопи вуглецю містяться в метані.
Інструмент «Аналіз зразків на Марсі» називається SAM. SAM складається з трьох різних інструментів, які шукають та вимірюють органічні хімічні речовини та легкі елементи, які є важливими інгредієнтами, потенційно пов’язаними з життям. Авторство і права: NASA/JPL-Caltech
Команда, яка стоїть за SAM від Curiosity, переглянула 24 зразки гірських порід за допомогою цього процесу і нещодавно виявила щось важливе. Шість зразків показали підвищене співвідношення С12 до С13. У порівнянні з земним еталонним стандартом для співвідношення C12/C13, зразки з цих шести місць містили більше ніж на 70 частин на тисячу більше C12. На Землі 98,93% вуглецю становить С12 Землі, а С13 утворює решту 1,07%.
Нове дослідження, опубліковане в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), представило результати. Його назва «Збіднені ізотопні склади вуглецю, спостережувані в кратері Гейла на Марсі.Головний автор – Крістофер Хаус, науковець Curiosity з Університету штату Пенсильванія.
Це захоплююче відкриття, і якби ці результати були отримані на Землі, вони б сигналізували про те, що біологічний процес утворив велику кількість С12.
На стародавній Землі поверхневі бактерії виробляли метан як побічний продукт. Їх називають метаногени, і це прокаріоти з домену Archaea. Метаногени все ще присутні на Землі, у безкисневих водно-болотних угіддях, у травних трактах жуйних тварин і в екстремальних середовищах, таких як гарячі джерела.
Ці бактерії виробляють метан, який потрапляє в атмосферу, взаємодіючи з ультрафіолетовим світлом. Ці взаємодії виробляють більш складні молекули, які висипаються на поверхню Землі. Вони збереглися в земних породах разом з їхніми вуглецевими ознаками. Те ж саме могло статися на Марсі, і якби це сталося, це могло б пояснити висновки Curiosity.
Але це березень. Якщо історія пошуку життя на Марсі щось говорить нам, це не для того, щоб забігати вперед.
«Ми знаходимо на Марсі речі, які є надзвичайно цікавими, але нам справді знадобиться більше доказів, щоб сказати, що ми ідентифікували життя», — сказав Пол Махаффі, колишній головний дослідник відділу аналізу зразків Curiosity в лабораторії Марса. «Тож ми дивимося, що ще могло спричинити вуглець, який ми бачимо, якщо не життя».
Curiosity зняв цю 360-градусну панораму 9 серпня 2018 року на хребті Віри Рубін. Автори: NASA/JPL-Caltech/MSSS
У своїй статті автори пишуть: «Є кілька правдоподібних пояснень аномально виснаженого 13C спостерігається в метані, що виділився, але жодне пояснення не може бути прийняте без подальших досліджень».
Однією з труднощів у розумінні вуглецевих сигнатур, подібних до цієї, є наше так зване упередження Землі. Більшість того, що вчені знають про хімію атмосфери та пов’язані з нею речі, базується на Землі. Тож коли справа доходить до цього нещодавно виявленого вуглецевого сигнатури на Марсі, вченим може бути складно тримати свій розум відкритим для нових можливостей, яких на Марсі може не бути. Про це говорить нам історія пошуків життя на Марсі.
«Найважче відпустити Землю та відпустити цю упередженість, яку ми маємо, і дійсно намагатися проникнути в основи хімії, фізики та екологічних процесів на Марсі», – сказала астробіолог Годдарда Дженніфер Л. Айгенброде, яка брала участь у дослідженні. дослідження вуглецю. Раніше Айгенброде очолював міжнародну групу вчених Curiosity у виявленні безлічі органічних молекул — тих, які містять вуглець — на поверхні Марса.
«Нам потрібно відкрити свій розум і мислити нестандартно, — сказав Айгенброде, — і саме це робить ця стаття».
У своїй роботі дослідники вказують на два небіологічні пояснення незвичайного вуглецевого сигнатури. Один із них включає молекулярні хмари.
Гіпотеза молекулярної хмари стверджує, що наша Сонячна система пройшла крізь молекулярну хмару сотні мільйонів років тому. Це рідкісна подія, але вона відбувається приблизно раз на 100 мільйонів років, тому вчені не можуть скидати з рахунків. Молекулярні хмари – це переважно молекулярний водень, але, можливо, вони були багаті на тип легшого вуглецю, виявлений Curiosity в кратері Гейла. Хмара могла б спричинити охолодження Марса, що спричинило б заледеніння в цьому сценарії. Охолодження та зледеніння не дозволили б легшому вуглецю в молекулярних хмарах змішатися з іншим вуглецем Марса, створюючи відкладення підвищеного вмісту C12. У статті стверджується, що «танення льодовиків під час льодовикового періоду та відступ льоду після нього повинні залишити міжзоряні пилові частинки на льодовиковій геоморфологічній поверхні».
Гіпотеза відповідає, оскільки Curiosity виявив деякі підвищені рівні C12 на вершинах хребтів — наприклад, на вершині хребта Віра Рубін — та інших високих точках у кратері Гейла. Зразки були зібрані з «…різноманітних літологій (аргіллитів, піску та пісковику) і на сьогоднішній день вони тимчасово поширені протягом операцій місії», – йдеться у документі. Проте гіпотеза молекулярної хмари є малоймовірним ланцюгом подій.
Марсохід NASA Curiosity підняв свою роботизовану руку зі свердлом, спрямованим у небо, під час дослідження хребта Віра Рубін біля підніжжя гори Шарп всередині кратера Гейла – на тлі далекого краю кратера. Цю мозаїку камери Navcam було зшито з необроблених зображень, зроблених на Sol 1833, 2 жовтня 2017 року, і розфарбовано. Авторство: NASA/JPL/Ken Kremer/kenkremer.com/Marco Di Lorenzo.
Інша небіологічна гіпотеза включає ультрафіолетове світло. Атмосфера Марса на 95% складається з вуглекислого газу, і в цьому сценарії ультрафіолетове світло взаємодіяло б із вуглекислим газом в атмосфері Марса, утворюючи нові молекули, що містять вуглець. Молекули впали б на поверхню Марса і стали б там частиною скелі. Ця гіпотеза схожа на те, як метаногени опосередковано виробляють C12 на Землі, але вона повністю абіотична.
«Усі три пояснення відповідають даним», — сказав провідний автор Крістофер Хаус. «Нам просто потрібно більше даних, щоб виключити їх або виключити».
Цей малюнок із дослідження показує три гіпотези, які можуть пояснити вуглецеву сигнатуру. Синій колір показує біологічно вироблений метан з марсіанських надр, що створює осадження органічного матеріалу, збідненого 13C, після фотолізу. Апельсин показує фотохімічні реакції через ультрафіолетове світло, які можуть призвести до різних атмосферних продуктів, деякі з яких осідають у вигляді органічного матеріалу з легко розривними хімічними зв’язками. Сірий колір показує гіпотезу молекулярної хмари. Авторство: Хаус та ін. 2022 рік.
«На Землі процеси, які виробляють сигнал вуглецю, який ми виявляємо на Марсі, є біологічними», — додав Хаус. «Ми повинні зрозуміти, чи те саме пояснення працює для Марса, чи є інші пояснення, тому що Марс дуже відрізняється».
Майже половина зразків Curiosity мала несподівано підвищений рівень С12. Вони не тільки вищі, ніж на Землі; вони вищі, ніж вчені знайшли в марсіанських метеоритах і марсіанській атмосфері. Зразки були отримані з п’яти місць у кратері Гейла, і всі локації мали одну спільну рису: вони мають старовинні, добре збережені поверхні.
Як сказав Пол Махаффі, результати «захоплююче цікаві». Але вчені все ще дізнаються про вуглецевий цикл Марса, і ми ще багато чого не знаємо. Спокусливо робити припущення про кругообіг вуглецю Марса на основі кругообігу вуглецю на Землі. Але вуглець може циркулювати по Марсу способом, про який ми ще навіть не здогадувалися. Незалежно від того, чи стане ця вуглецева сигнатура сигналом для життя чи ні, це все одно цінні знання, коли справа доходить до розуміння вуглецевої сигнатури Марса.
«Визначення кругообігу вуглецю на Марсі є абсолютно ключовим для спроби зрозуміти, як життя може вписатися в цей цикл», — сказав Ендрю Стіл, науковець Curiosity з Інституту науки Карнегі у Вашингтоні, округ Колумбія. «Ми зробили це дійсно успішно на Землі. , але ми тільки починаємо визначати цей цикл для Марса».
Але зробити висновки про Марс на основі кругообігу вуглецю Землі непросто. Стіл пояснив це, коли сказав: «На Землі існує величезна частина кругообігу вуглецю, яка включає життя, і через життя є частина кругообігу вуглецю на Землі, яку ми не можемо зрозуміти, тому що скрізь, куди ми поглянемо, є життя».
Марсохід NASA Perseverance шукає ознаки стародавнього життя на Марсі в кратері Джезеро. Результати від Curiosity можуть бути корисними для діяльності Perseverance щодо вибірки. Авторство: NASA/JPL-Caltech/MSSS
Curiosity все ще працює над Марсом і буде ще деякий час. Значення цих зразків разом із кращим розумінням кругообігу вуглецю на Марсі ще попереду. Curiosity випробує більше породи, щоб виміряти концентрацію ізотопу вуглецю. Він візьме зразки породи з інших добре збережених стародавніх поверхонь, щоб побачити, чи результати подібні до цих. В ідеалі він зіткнеться з іншим метановим шлейфом і візьме його зразки, але ці події непередбачувані, і немає способу підготуватися до них.
У будь-якому випадку, ці результати допоможуть інформувати про збір зразків Perseverance в кратері Jezero. Наполегливість може підтвердити подібні сигнали вуглецю і навіть визначити, чи є вони біологічними чи ні.
Perseverance також збирає зразки для повернення на Землю. Вчені вивчатимуть ці зразки ефективніше, ніж бортова лабораторія марсохода, тому хто знає, що ми дізнаємося.
Стародавнє життя на Марсі є приголомшливою перспективою, але поки що, принаймні, вона невизначена.
Спочатку опубліковано на Всесвіт сьогодні.
Докладніше про це дослідження див.
Довідка: «Склади збіднених ізотопів вуглецю, спостережені в кратері Гейла, Марс» Крістофер Х. Хаус, Грегорі М. Вонг, Крістофер Р. Вебстер, Грегорі Дж. Флеш, Хізер Б. Франц, Дженніфер С. Стерн, Алекс Павлов, Сушіл К. Атрея, Дженніфер Л. Айгенброде, Алексіс Гілберт, Емі Е. Хофманн, Маева Міллан, Ендрю Стіл, Деніел П. Главін, Чарльз А. Мелеспін та Пол Р. Махаффі, 17 січня 2022 року, Праці Національної академії наук.
DOI: 10.1073/pnas.2115651119
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
