好奇号火星车在岩石层中发现了强烈的碳特征——可能表明生物活动

据我们所知，碳对生命至关重要。 因此，每当我们在火星等地方检测到强烈的碳特征时，它都可能表明生物活动。

火星岩石中的强烈碳信号是否表明某种类型的生物过程？

当你在寻找生命时，任何强烈的碳信号都很有趣。 它是我们所知道的所有生命形式的共同元素。 但是有不同类型的碳，并且由于其他原因，碳可能会集中在环境中。 这并不意味着生命与碳特征有关。

碳原子总是有六个质子，但中子数可以变化。 具有不同中子数的碳原子称为同位素。 三种碳同位素天然存在：稳定的 C12 和 C13，以及放射性核素 C14。 C12 有 6 个中子，C13 有 7 个中子，C14 有 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，这意味着当它与其他原子结合成分子时，它比C13在相同情况下建立的连接更少。 生活本质上是懒惰的，它总是会寻求最简单的做事方式。 C12 更易于使用，因为它比 C13 更少形成键。 它比 C13 更容易获得，当有更简单的方法可用时，生活永远不会变得艰难。

好奇号火星车在火星的盖尔陨石坑中努力工作，寻找生命迹象。 它钻入岩石，提取粉碎样品，并将其放入其机载化学实验室。 好奇号的实验室被称为SAM，代表 火星样品分析. 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。 然后它用一种名为 可调谐激光光谱仪 找出甲烷中的碳同位素。

Mars 的样品分析工具称为 SAM。 SAM 由三种不同的仪器组成，用于搜索和测量有机化学物质和轻元素，它们是可能与生命相关的重要成分。 图片来源：NASA/JPL-Caltech

好奇号 SAM 背后的团队通过这个过程观察了 24 个岩石样本，最近发现了一些值得注意的东西。 其中六个样品显示 C12 与 C13 的比例升高。 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 含量超过 70 ppm。 在地球上，98.93% 的碳是地球上的 C12，而 C13 构成剩余的 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发现。 它的标题是“在火星盖尔陨石坑观察到的贫碳同位素组成。主要作者是宾夕法尼亚州立大学好奇号科学家克里斯托弗·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，地表细菌会产生甲烷作为副产品。 他们被称为 产甲烷菌，它们是来自古生菌领域的原核生物。 今天，产甲烷菌仍然存在于地球上、缺氧湿地、反刍动物的消化道以及温泉等极端环境中。

这些细菌产生进入大气的甲烷，与紫外线相互作用。 这些相互作用产生了更复杂的分子，这些分子如雨后春笋般涌入地球表面。 它们连同它们的碳特征一起保存在地球岩石中。 同样的事情也可能发生在火星上，如果发生了，它可以解释好奇号的发现。

但这是三月。 如果在火星上寻找生命的历史告诉我们什么，那就是不要超越自己。

“我们在火星上发现了非常有趣的东西，但我们确实需要更多的证据来证明我们已经确定了生命，”火星实验室好奇号样本分析的前首席研究员保罗·马哈菲说。 “所以我们正在研究还有什么可能导致我们看到的碳特征，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 度全景图。 学分：NASA/JPL-Caltech/MSSS

在他们的论文中，作者写道：“对于异常耗尽有多种合理的解释。 ¹³在演化出的甲烷中观察到 C，但如果没有进一步的研究，就无法接受任何单一的解释。”

像这样理解碳特征的困难之一是我们所谓的地球偏差。 科学家们对大气化学和相关事物的了解大部分是基于地球的。 因此，当谈到火星上这一新发现的碳特征时，科学家们会发现，让他们的思想对火星上可能不存在的新可能性保持开放是一项挑战。 在火星上寻找生命的历史告诉我们这一点。

“最困难的事情是放开地球，放开我们的偏见，真正尝试了解火星上的化学、物理和环境过程的基本原理，”戈达德天体生物学家 Jennifer L. Eigenbrode 说，他参与了碳研究。 此前，Eigenbrode 领导了一个由好奇号科学家组成的国际团队，在火星表面检测无数有机分子——那些含有碳的有机分子。

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

研究人员在他们的论文中指出了对不寻常碳特征的两种非生物学解释。 一个涉及分子云。

分子云假说指出，我们的太阳系在数亿年前穿过了分子云。 这是一个罕见的事件，但它大约每 1 亿年发生一次，所以科学家们不能忽视它。 分子云主要是分子氢，但其中可能富含由好奇号在盖尔陨石坑中检测到的较轻的碳类型。 云会导致火星冷却，在这种情况下导致冰川作用。 冷却和冰川作用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 C12 沉积物。 论文指出，“冰川期的冰川融化和冰期后退冰应该将星际尘埃颗粒留在冰川地貌表面。”

该假设成立，因为好奇号在山脊顶部（例如维拉鲁宾山脊顶部）和盖尔陨石坑的其他高点发现了一些升高的 C12 水平。 样本是从“……各种岩性（泥岩、沙子和砂岩）中收集的，并且在迄今为止的整个任务操作中暂时分布，”该论文称。 尽管如此，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在探索盖尔陨石坑内夏普山脚下的维拉鲁宾山脊时抬起了机械臂，钻头指向天空——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 Sol 1833 拍摄的原始图像拼接而成，并进行了着色。 图片来源：NASA/JPL/Ken Kremer/kenkremer.com/Marco Di Lorenzo。

另一个非生物学假设涉及紫外线。 火星大气中的二氧化碳含量超过 95%，在这种情况下，紫外线会与火星大气中的二氧化碳气体相互作用，产生新的含碳分子。 这些分子会像雨点般落在火星表面，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。 “我们只需要更多的数据来将它们排除在外。”

该研究中的这个数字显示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，在光解后产生了 13C 耗尽的有机物质的沉积。 橙色通过紫外光显示光化学反应，可产生各种大气产物，其中一些会沉积为具有易断裂化学键的有机材料。 灰色显示分子云假说。 信用：豪斯等人。 2022 年。

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

几乎一半的好奇号样本的 C12 水平出乎意料地升高。 它们不仅高于地球的比例； 它们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：它们都有古老的、保存完好的表面。

正如 Paul Mahaffy 所说，这些发现“非常有趣”。 但科学家们仍在了解火星的碳循环，还有很多我们仍然一无所知。 根据地球的碳循环对火星的碳循环做出假设是很诱人的。 但是碳可能会以我们甚至还没有猜到的方式在火星上循环。 无论这种碳特征最终是否会成为生命的信号，在了解火星的碳特征时，它仍然是有价值的知识。

华盛顿卡内基科学研究所的好奇号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，我们已经在地球上真正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。”

但要根据地球的碳循环得出关于火星的结论并不容易。 斯蒂尔说的很清楚，“地球上有很大一部分碳循环涉及生命，而且由于生命，地球上有一部分碳循环我们无法理解，因为我们所看到的任何地方，都有生活。”

美国宇航局的恒心漫游车正在杰泽罗陨石坑寻找火星上古代生命的迹象。 Curiosity 的结果可以为 Perseverance 的抽样活动提供信息。 图片来源：NASA/JPL-Caltech/MSSS

好奇号仍在火星上工作，而且还会持续一段时间。 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以测量碳同位素浓度。 它将从其他保存完好的古代表面取样岩石，看看结果是否与这些相似。 理想情况下，它会遇到另一个甲烷羽流并对其进行采样，但这些事件是不可预测的，而且没有办法为它做好准备。

无论哪种方式，这些结果都将有助于为 Perseverance 在 Jezero Crater 的样本收集提供信息。 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以返回地球。 科学家们将比火星车的机载实验室更有效地研究这些样本，所以谁知道我们会学到什么。

火星上的古代生命是一个诱人的前景，但至少目前还不确定。

最初发表于 今日宇宙.

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”，作者：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 和 Paul R. Mahaffy，2022 年 1 月 17 日， 美国国家科学院院刊.
DOI：10.1073/pnas.2115651119