火星上新发现的碳：起源可能是生物产生的甲烷

美国宇航局好奇号火星探测器在位于维拉鲁宾岭的“岩石大厅”钻探地点于 Sol 2291 拍摄的自拍照。从该钻孔的粉末中释放的还原碳在碳 13 中强烈耗尽，这是该团队报告的令人惊讶的碳同位素特征。这张自拍由火星车的火星手持镜头成像仪 (MAHLI) 拍摄的 57 张单独的图像组成，MAHLI 是火星车机械臂末端的一个摄像头。图片来源：NASA/Caltech-JPL/MSSS

美国宇航局的好奇号火星车于 2012 年 8 月 6 日降落在火星上，此后一直在盖尔陨石坑中漫游，采集样本并将结果送回家供研究人员解释。对从六个暴露位置（包括暴露的悬崖）采集的沉积物样本中的碳同位素进行分析，研究人员对碳的起源有三个合理的解释——宇宙尘埃、二氧化碳的紫外线降解或生物产生的甲烷的紫外线降解。

研究人员今天（2022 年 1 月 17 日）在美国国家科学院院刊上指出，“所有这三种情况都是非常规的，与地球上常见的过程不同。”

碳有两种稳定同位素，12 和 13。通过观察物质中每种同位素的含量，研究人员可以确定发生的碳循环的细节，即使它发生在很久以前。

“我们太阳系中碳 12 和碳 13 的数量是太阳系形成时存在的数量，”宾夕法尼亚州立大学地球科学教授 Christopher H. House 说。“两者都存在于所有事物中，但由于碳 12 的反应比碳 13 更快，因此查看样品中每种物质的相对含量可以揭示碳循环。”

该图显示了 Vera Rubin Ridge 上的 Highfield 钻孔。来自该孔的钻粉显示出碳同位素值，表明碳循环包括地下生命、穿透大气层的强烈紫外线辐射或星际尘埃。该图像由火星手持镜头成像仪在 sol 2247 上拍摄。图片来源：NASA/Caltech-JPL/MSSS

好奇号由美国宇航局位于南加州的喷气推进实验室领导，在过去的九年里一直在探索盖尔陨石坑的一个区域，该区域暴露了古老的岩石层。漫游车钻入这些层的表面并从埋藏的沉积层中回收样本。好奇号在没有氧气的情况下加热样品以分离任何化学物质。对该热解产生的部分还原碳的光谱分析表明，碳 12 和碳 13 的含量范围很广，具体取决于原始样品形成的地点或时间。一些碳在碳 13 中异常贫化，而其他碳样品则富集。

“碳 13 极度贫化的样本有点像澳大利亚从 27 亿年前的沉积物中提取的样本，”豪斯说。“这些样本是由古代微生物垫消耗甲烷时的生物活动引起的，但我们不一定在火星上这么说，因为它可能是由与地球不同的材料和过程形成的行星。”

为了解释异常枯竭的样本，研究人员提出了三种可能性——宇宙尘埃云、分解二氧化碳的紫外线辐射或生物产生的甲烷的紫外线降解。

根据豪斯的说法，太阳系每隔几亿年就会穿过一个银河分子云。

“它不会沉积很多灰尘，”House 说。“在地球记录中很难看到任何这些沉积事件。”

为了创造一个好奇号可以采样的层，银河尘埃云首先会降低火星上的温度，火星上仍然含有水并形成了冰川。灰尘会沉积在冰的顶部，一旦冰川融化，就需要留在原地，留下一层包含碳的污垢。

到目前为止，火星上盖尔陨石坑过去存在冰川的证据有限。根据研究人员的说法，“这种解释是合理的，但需要进一步的研究。”

碳 13 含量较低的第二种可能解释是紫外线将二氧化碳转化为甲醛等有机化合物。

“有论文预测紫外线会导致这种类型的分馏，”豪斯说。“然而，我们需要更多的实验结果来显示这种尺寸分级，这样我们才能排除或排除这种解释。”

产生碳 13 贫化样品的第三种可能方法具有生物学基础。

在地球上，来自古地表的强烈碳 13 耗尽特征将表明过去的微生物消耗了微生物产生的甲烷。古代火星可能已经从地下释放了大量的甲烷羽流，那里的甲烷生产在能量上是有利的。然后，释放的甲烷要么被表面微生物消耗，要么与紫外线反应并直接沉积在表面上。

然而，据研究人员称，目前在过去的火星景观中没有表面微生物的沉积证据，因此论文中强调的生物学解释依赖于紫外线将碳 13 信号置于地面上。

“所有这三种可能性都指向一个不寻常的碳循环，这与当今地球上的任何事物都不同，”豪斯说。“但我们需要更多的数据来确定哪些是正确的解释。如果漫游车能够探测到大量的甲烷羽流并从中测量碳同位素，那就太好了，但是虽然有甲烷羽流，但大多数都很小，而且没有漫游车采样到足够大的甲烷羽流来测量同位素。”

豪斯还指出，找到微生物垫的遗迹或冰川沉积物的证据也可以稍微澄清一下。

“我们对我们的解释持谨慎态度，这是研究另一个世界时最好的课程，”豪斯说。

好奇号仍在收集和分析样本，并将在大约一个月后返回前冲，在那里它发现了本研究中的一些样本。

“这项研究实现了火星探索的长期目标，”豪斯说。“从另一个宜居世界的沉积物中测量不同的碳同位素——最重要的地质工具之一——它通过观察 9 年的探索来做到这一点。”

参考：“在火星盖尔陨石坑观察到的贫碳同位素组成”，2022 年 1 月 17 日，美国国家科学院院刊。

也在宾夕法尼亚州立大学从事该项目的还有 Gregory M. Wong，他是最近获得地球科学博士学位的人。

该研究的其他参与者是，在美国宇航局喷气推进实验室：克里斯托弗 R.韦伯斯特，研究员和高级研究科学家；Gregory J. Flesch，科学应用软件工程师；和研究科学家 Amy E. Hofmann；美国宇航局戈达德太空飞行中心太阳系探索部：Heather B. Franz，研究科学家；Jennifer C. Stern，研究助理；亚历克斯·巴甫洛夫，太空科学家；Jennifer L. Eigenbrode，研究助理；Daniel P. Glavin，战略科学副主任；Charles A. Malespin，行星环境实验室主任；和退休的太阳系探索部主任 Paul R. Mahaffy；在密歇根大学：Sushil K. Atreya，气候与空间科学与工程教授，行星科学实验室主任；在卡内基科学研究所：安德鲁斯蒂尔，科学家；在乔治城大学和美国宇航局戈达德太空飞行中心：Maëva Milan，博士后研究员。

美国国家航空航天局支持这个项目。