Dwie próbki z Marsa razem dostarczają „niezbitego dowodu” w nowym badaniu pokazującym pochodzenie marsjańskiego materiału organicznego. Badanie przedstawia solidne dowody na przewidywanie poczynione ponad dekadę temu przez naukowców z University of Copenhagen, które może być kluczowe dla zrozumienia, w jaki sposób cząsteczki organiczne, fundament życia, powstały po raz pierwszy tutaj, na Ziemi.
W kraterze meteorytowym na czerwonej planecie porusza się samotny robot. Teraz prawdopodobnie zbiera próbki gleby za pomocą wiertarki i ramienia robota, co jest jego zwyczajem. Łazik Curiosity NASA działa na Marsie jako przedłużone ramię nauki od prawie 12 lat i nadal dokonuje odkryć, które zaskakują i podważają wiedzę naukowców zarówno o Marsie, jak i o naszym świecie tutaj, na Ziemi.
Ostatnio odkrycie osadowego materiału organicznego o szczególnych właściwościach sprawiło, że wielu badaczy drapało się po głowach. Właściwości tych materiałów opartych na węglu, w szczególności stosunek izotopów węgla, zaskoczyły badaczy.
Materiały organiczne o takich właściwościach, jeśli zostałyby znalezione na Ziemi, byłyby zazwyczaj oznaką mikroorganizmów, ale mogą być również wynikiem niebiologicznych, chemicznych procesów. Odkrycie najwyraźniej sprawiło, że naukowcy szukali jasnej odpowiedzi, ale nic nie pasowało.
Jednak współpraca badawcza, której efektem jest nowe badanie opublikowane w czasopiśmie Nature Geoscience, spotkała się z niewielkim entuzjazmem, a raczej z niewielkim drapaniem się po głowie.
W rzeczywistości odkrycie na Marsie okazało się brakującym elementem, który sprawił, że dla grupy badaczy z Uniwersytetu Kopenhaskiego i Tokijskiego Instytutu Technologicznego wszystko zaczęło się układać.
Jak twierdzi współautor i profesor chemii Matthew Johnson, jest to „niezbity dowód” potwierdzający jego dziesięcioletnią teorię na temat tzw. fotolizy w atmosferze Marsa.
Dzięki próbce Curiosity nowe badania są w stanie udowodnić z rozsądną pewnością, że Słońce rozłożyło CO2 w atmosferze Marsa miliardy lat temu – jak przewidywała stara teoria. I że powstały tlenek węgla stopniowo reagował z innymi chemikaliami w atmosferze, syntetyzując złożone cząsteczki – i w ten sposób dostarczając Marsowi materiałów organicznych.
„Takie złożone cząsteczki oparte na węglu są warunkiem wstępnym życia, można by rzec, budulcem życia. Tak więc jest to trochę jak stara debata o tym, co było pierwsze, kura czy jajko. Pokazujemy, że materiał organiczny znaleziony na Marsie powstał w wyniku reakcji fotochemicznych w atmosferze – bez życia. To jest „jajko”, warunek wstępny życia. Nadal pozostaje do udowodnienia, czy ten materiał organiczny doprowadził do powstania życia na Czerwonej Planecie”, powiedział Johnson i kontynuował:
„Ponieważ Ziemia, Mars i Wenus miały bardzo podobne atmosfery bogate w CO2, kiedy dawno temu miała miejsce fotoliza, może się to okazać istotne dla naszego zrozumienia, w jaki sposób powstało życie na Ziemi” – powiedział profesor Matthew Johnson z Wydziału Chemii Uniwersytetu Kopenhaskiego.
Dwa kawałki oddalone od siebie o 50 milionów kilometrów – jedna zagadka rozwiązana
12 lat temu Johnson i dwaj jego współpracownicy zastosowali symulacje oparte na mechanice kwantowej, aby określić, co się stanie, gdy atmosfera bogata w CO2 zostanie wystawiona na działanie promieniowania ultrafioletowego Słońca, w procesie znanym jako fotoliza.
Zasadniczo na Marsie około 20% CO2 jest rozbite na tlen i tlenek węgla. Ale węgiel ma dwa stabilne izotopy: węgiel-12 i węgiel-13. Zwykle występują w stosunku jeden węgiel-13 na każde 99 węgla-12. Jednak fotoliza działa szybciej w przypadku lżejszego węgla-12, więc tlenek węgla wytwarzany przez fotolizę ma mniej węgla-13 (jest zubożony), a pozostały CO2 ma więcej (jest wzbogacony).
Dzięki temu Johnson i jego współpracownicy byli w stanie dokonać bardzo precyzyjnych przewidywań stosunku izotopów węgla po fotolizie. Dało im to dwa charakterystyczne odciski palców, których mogli szukać. Jeden z nich został zidentyfikowany w innej próbce marsjańskiej lata temu.
„Mamy tutaj na Ziemi kawałek Marsa, który został strącony z tej planety przez meteoryt, a następnie sam stał się jednym z nich, kiedy wylądował tutaj na Ziemi. Ten meteoryt, nazwany Allan Hills 84001 od miejsca na Antarktydzie, gdzie został znaleziony, zawiera minerały węglanowe, które powstają z CO2 w atmosferze. Niepodważalnym dowodem jest to, że stosunek izotopów węgla w nim dokładnie odpowiada naszym przewidywaniom w symulacjach chemii kwantowej, ale w tej układance brakowało jednego elementu. Brakowało nam innego produktu tego procesu chemicznego, który potwierdziłby teorię, i to właśnie teraz uzyskaliśmy” — mówi Matthew Johnson.
Węgiel w meteorycie Allan Hills jest wzbogacony w węgiel-13, co czyni go lustrzanym odbiciem ubytku węgla-13, który został teraz zmierzony w materiale organicznym znalezionym przez łazik Curiousity na Marsie.
Nowe badanie powiązało w ten sposób dane z dwóch próbek, które według naukowców mają to samo pochodzenie, z czasów dzieciństwa Marsa, a które znaleziono w odległości ponad 50 milionów kilometrów od siebie.
„Nie ma innego sposobu, aby wyjaśnić zarówno ubytek węgla-13 w materiale organicznym, jak i wzbogacenie go w meteorycie marsjańskim, w obu przypadkach w odniesieniu do składu CO2 wulkanicznego emitowanego na Marsie, który ma stały skład, podobnie jak w przypadku wulkanów na Ziemi, i służy jako punkt odniesienia” – powiedział Johnson
Mam nadzieję, że znajdę te same dowody na Ziemi
Ponieważ materiał organiczny zawiera ten izotopowy „odcisk palca” tego, skąd pochodzi, naukowcy są w stanie prześledzić źródło węgla w materiale organicznym do tlenku węgla utworzonego przez fotolizę w atmosferze. Ale to również ujawnia wiele na temat tego, co się z nim działo pomiędzy.
„To pokazuje, że tlenek węgla jest punktem wyjścia do syntezy cząsteczek organicznych w tego typu atmosferach. Mamy więc ważny wniosek na temat pochodzenia elementów budulcowych życia. Choć jak dotąd tylko na Marsie” – powiedział Matthew Johnson.
Naukowcy mają nadzieję, że uda im się znaleźć te same dowody izotopowe na Ziemi, ale do tej pory nie udało się tego osiągnąć i może to być o wiele większym wyzwaniem, ponieważ rozwój geologiczny na Ziemi znacząco zmienił powierzchnię w porównaniu z Marsem – wyjaśnia Johnson.
„Można założyć, że fotoliza CO2 była również warunkiem wstępnym powstania życia tutaj na Ziemi, w całej jego złożoności. Ale nie znaleźliśmy jeszcze tego „niezbitego dowodu” tutaj na Ziemi, aby udowodnić, że proces ten miał miejsce. Być może dlatego, że powierzchnia Ziemi jest o wiele bardziej żywa, geologicznie i dosłownie, a zatem ciągle się zmienia. Ale to duży krok, że znaleźliśmy go teraz na Marsie, od czasu, gdy obie planety były bardzo podobne”, mówi Matthew Johnson.
Fakty: Materiał organiczny
Próbka znaleziona na Marsie zawiera złoża tak zwanego materiału organicznego. Dla laików może to brzmieć bardziej ekscytująco niż jest w rzeczywistości. Materiał organiczny w kontekście chemicznym niekoniecznie oznacza coś żywego, jak można by normalnie sądzić. Termin ten obejmuje cząsteczki zawierające węgiel i co najmniej jeden inny pierwiastek, które mogą z łatwością istnieć bez życia. Te cząsteczki są raczej budulcem życia.
Fakty: Czym jest fotoliza
Fotoliza oznacza, że promienie UV Słońca dostarczają cząsteczkom energii do przeprowadzenia przemiany chemicznej. Według badań miało to miejsce w atmosferze Marsa, gdzie 20% cząsteczek CO2 zostało rozbitych na tlen i tlenek węgla.
Wcześniejsze badania Johnsona i współpracowników wykazały, że dwutlenek węgla zawierający izotop węgla-12 ulega fotolizie szybciej niż cięższy izotop węgla-13.
Z czasem powstaje CO, który jest zubożony w 13C, a 13C gromadzi się w pozostałym CO2. Powoduje to tak zwane wzbogacenie izotopowe w CO2 i zubożenie w CO, jak odbicia lustrzane lub siebie nawzajem lub dwóch połówek rozbitej płyty.
To współczynnik frakcjonowania węgla, który służy jako dowód fotolizy w dwóch próbkach z Marsa.
Fakty: Tlen pomalował Marsa na czerwono
Fotoliza cząsteczki CO2 daje tlenek węgla (CO) i atom tlenu (O). Na Marsie pozostaje tylko tlenek węgla, który przekształca się w materiał organiczny znaleziony przez łazik Curiosity.
Ale gdzie podział się tlen, nie jest tajemnicą. Tlen łączy się w O2, który wchodzi w interakcję z żelazem na powierzchni Marsa. Czerwona Planeta jest rdzawoczerwona z powodu utlenionego żelaza.
Fakty: Izotopy mają różną masę
Izotopy to odmiany tego samego pierwiastka, które mają różną masę, ponieważ jądro zawiera więcej lub mniej neutronów.
Węgiel ma dwa stabilne izotopy — Zwykle około 99% węgla ma 6 protonów i 6 neutronów w jądrze (12C). Około 1% ma zamiast tego 6 protonów i 7 neutronów (13C). Stosunek ten może służyć jako chemiczny odcisk palca ujawniający, jakie reakcje przeszedł węgiel.
Fotoliza sprzyja węglowi-12, a wysokie stężenie tego izotopu może być tego dowodem.
Informacje dodatkowe: Słynny meteoryt marsjański
Odkrycie organicznych osadów na Marsie o niskim stosunku węgla-13 dopełnia zagadki empirycznych dowodów na teorię fotolizy, ponieważ naukowcy już wiele lat temu znaleźli drugą część tej układanki w słynnym meteorycie Allan Hills 84001. Meteoryt zawiera węglan o podwyższonym stężeniu ciężkich izotopów węgla-13.
Meteoryt odkryty 40 lat temu na Antarktydzie przez Roberta Score uważa się za pochodzący z Czerwonej Planety. Stał się szczególnie znany, ponieważ zawiera osady, które skłoniły badaczy NASA do ogłoszenia w 1996 r., że znaleźli ślady mikroskopijnych skamieniałości bakterii z Marsa.
Obecnie przyjmuje się, że osady te mają charakter abiotyczny, czyli powstają w wyniku procesów niebiologicznych.
Informacje dodatkowe: Mars, Ziemia i Wenus miały tę samą atmosferę
Według naukowców Ziemia miała mniej więcej taką samą atmosferę jak sąsiednie planety Mars i Wenus miliardy lat temu.
Kiedy wczesne planety Wenus, Ziemia i Mars ostatecznie utworzyły stałe powierzchnie, naukowcy uważają, że zaczęły uwalniać duże ilości CO2 z ekstremalnej aktywności wulkanicznej. W ten sposób utworzyły swoje pierwsze atmosfery z dużymi stężeniami gazu. Tlen nie stał się jeszcze częścią atmosfery; stało się to później na Ziemi, po pojawieniu się życia.
Teoria fotolizy głosi, że promienie UV ze słońca rozpoczynają łańcuch reakcji chemicznych. Łańcuch, który zaczyna się od rozpadu CO2 na tlenek węgla, który jest budulcem wielu innych związków chemicznych.
Dzięki Słońcu powstały podstawy wielu związków węgla i złożonych cząsteczek, które występują w naszym dzisiejszym świecie – w przypadku Ziemi – podstawy życia.
„Od tego czasu losy trzech planet znacznie się od siebie różnią. Dwutlenek węgla na Ziemi wszedł w reakcję z dużą ilością naszej wody powierzchniowej i duża jego część z czasem osadzała się w postaci skał węglanowych, takich jak wapień, pozostawiając atmosferę zdominowaną przez azot, tak jak mamy ją dzisiaj. Powstało życie, a mikroorganizmy produkowały tlen, który między innymi stworzył naszą warstwę ozonową, podczas gdy Mars i Wenus nadal mają dzisiaj atmosferę zdominowaną przez CO2” – wyjaśnia Matthew Johnson.
Obecnie Wenus ma bardzo gęstą i toksyczną atmosferę, składającą się głównie z CO2, przez co temperatura jej powierzchni wynosi około 450 stopni Celsjusza.
Na Marsie atmosfera stała się dużo cieńsza w porównaniu z Ziemią, a krajobraz stał się pustynny.