Карта сайта

По содержанию органического углерода в породах марсианский кратер Гейла похож на пустыню Атакама

марс

Фрагмент панорамы залива Йеллоунайф (Yellowknife Bay) в кратере Гейла, сделанной марсоходом НАСА Curiosity в декабре 2012 года. Фото с сайта mars.nasa.gov

Марсоход НАСА Curiosity, работающий в кратере Гейла, обнаружил в глинистых отложениях бывшего марсианского залива органический углерод. Причем его там довольно много — содержание сопоставимо с тем, что можно найти на Земле в малопригодных для жизни районах (например, в пустыне Атакама). Возраст отложений оценен в 3,5 миллиарда лет. В то время, возможно, на Красной планете существовали условия для зарождения жизни. Это не первый случай обнаружения углерода на Марсе, но впервые удалось определить, какая его часть связана именно с органической составляющей.

Марсоход Curiosity относится к программе НАСА «Марсианская научная лаборатория», основная цель которой — оценить потенциальную обитаемость Красной планеты и определить, могла ли ее среда когда-либо поддерживать жизнь. Аппарат оборудован набором приборов SAM (Sample Analysis at Mars), позволяющим проводить количественный химический анализ атмосферы и горных пород на месте, в том числе на наличие органических веществ.

В состав набора входят: газовый хроматограф, разделяющий газы для облегчения их идентификации; масс-спектрометр с квадрупольным масс-анализатором (QMS), определяющий ключевые элементы жизни — азот, фосфор, серу, кислород и углерод; а также перестраиваемый лазерный спектрометр (TLS), который обнаруживает в атмосфере водяной пар, углекислый газ и метан и определяет, является ли последний продуктом геологических процессов или жизнедеятельности организмов.

Curiosity приземлился в кратере Гейла 6 августа 2012 года. Место посадки было выбрано после тщательного изучения региона предыдущими миссиями. Ударный кратер Гейла образовался при столкновении с Марсом астероида, которое произошло в нойском периоде — около 3,8 млрд лет назад. Результаты наблюдений с орбитального аппарата Mars Reconnaissance Orbiter позволили предположить, что в последующем он был наполнен водой. В нижней части кратера находятся глины и аргиллиты с сульфатными минералами. По заключению геологов, породы откладывались на дне древнего мелководного озера, вода в котором обладала низкой соленостью, нейтральной кислотностью и содержала в достаточном количестве такие биологически значимые элементы, как углерод, кислород, азот и серу. И в нем вполне могла существовать микробная жизнь.

Для проверки этой гипотезы Curiosity отправился в ту часть кратера Гейла, где в понижении рельефа вскрывается пятиметровая толща осадочных отложений. Эта геологическая впадина была названа заливом Йеллоунайф (Yellowknife Bay) в честь столицы Северо-Западных территорий Канады. Анализ стратиграфических границ показал, что самая древняя часть осадочной толщи — пачка Sheepbed, представленная аргиллитами, находится в основании впадины. В ней марсоход с помощью бура-манипулятора в ноябре 2014 года отобрал две пробы (названные Cumberland и John Klein). Пробы были взяты из одного и того же стратиграфического горизонта на расстоянии 3 м друг от друга (рис. 2).


Рис. 2. Места отбора проб в аргиллитах пачки Sheepbed (Sheepbed mudstone) формации Йеллоунайф. Верхнее изображение — из обсуждаемой статьи в PNAS, нижнее — с сайта en.wikipedia.org

До прибытия Curiosity датирование поверхности Марса проводилось с помощью относительных методов геоморфологии и учета последовательности возникновения кратеров. Теперь же входящий в набор приборов марсохода масс-спектрометр измерил изотопы аргона в аргиллитах Sheepbed, благодаря чему были получены радиометрический возраст пород (около 3,5 млрд лет) и приблизительное время их выхода на поверхность (110–30 млн лет назад). Это первое определение абсолютного возраста пород на другой планете. Также приборы SAM впервые определили в марсианских породах долю органического углерода.

Органическим называется углерод, связанный с атомами водорода в молекулы, используемые для построения организмов всеми известными формами жизни на Земле. Однако само присутствие органических молекул на Марсе не доказывает существования там жизни. Они могли образовываться в результате поверхностных реакций и при извержениях вулканов или вообще быть занесены из космоса в составе метеоритов. В земных условиях маркером биогенного происхождения органического углерода служит повышенное содержание в нем легкого изотопа 12C по отношению к более тяжелому 13C. Живые существа на Земле в своих метаболических процессах и при фотосинтезе предпочитают использовать более легкий изотоп углерода.

Ранее ученые, работающие с данными миссии Curiosity, обнаружили, что почти половина образцов, взятых из пяти разных мест в кратере Гейла, содержат удивительно много 12C по сравнению с углеродом в марсианской атмосфере и метеоритах (C. H. House et al., 2021. Depleted carbon isotope compositions observed at Gale crater, Mars).

Авторы предложили три варианта объяснения полученных фактов. В соответствии с первой гипотезой в образовании органических молекул участвовали древние бактерии, производящие метан. В атмосфере под воздействием ультрафиолета этот газ превращался в более сложные соединения, которые оседали на поверхность и накапливались в осадочных отложениях, сохраняя свою биогенную изотопную подпись.

Две другие гипотезы исходят из того, что изотопное фракционирование углерода на Марсе могло быть связано с небиологическими процессами, аналогов которым нет на Земле. Одна из них предполагает, что молекулы, обогащенные 12C, могли возникнуть в результате взаимодействия ультрафиолета с углекислым газом в марсианской атмосфере, а другая — что 12C мог остаться после гипотетического события, произошедшего сотни миллионов лет назад, когда Солнечная система прошла через гигантское молекулярное облако, обогащенное легким изотопом углерода.

Если предыдущие исследования давали информацию только о конкретных соединениях углерода в атмосфере и породах Марса, а также его изотопном составе, то сейчас ученые впервые определили общее количество органического углерода в этих породах. Для этого манипулятор марсохода поместил порошкообразный материал пробы Cumberland в печь, где его нагревали, пока не выделился весь углерод. При высвобождении атомы углерода связывались с подаваемым в печь кислородом с образованием CO2, который параллельно анализировали два различных прибора — масс-спектрометр и лазерный спектрометр. Подобный эксперимент, в котором одновременно определяли весовую долю углерода в породах и его изотопный состав, провели всего один раз за 10 лет пребывания Curiosity на Марсе.

Аргиллиты, из которых взяли пробу, — это глинистые породы, которые возникли в результате литификации (превращения рыхлых осадков в твердые породы) донных отложений залива Йеллоунайф. Первичный материал этих отложений — тонкая минеральная взвесь, образующаяся при выветривании вулканических пород, и сносимая в озеро поверхностными водами. Повышенное содержание органического углерода в аргиллитах Sheepbed по сравнению с окружающими вулканическими породами могут быть связаны как с биологической активностью на дне древнего водоема, так и с концентрированным накоплением углерода в процессах физического и химического выветривания, а также переноса с обширной площади водосбора.

Технология ступенчатого сжигания позволила частично разделить вклад этих двух возможных источников. Большая часть углерода (около 950 мкг/г) высвободилась при низких температурах (менее 550°С). Изотопный состав этой фракции указывает на его магматическое или метеоритное происхождение — значение δ13C (отношение 13C/12C по сравнению со стандартным образцом) для нее составляет около +1,5‰. Меньшая часть, обогащенная легким изотопом (δ13C от −32,9 до −10,1‰), обособилась при температурах от 550 до 870°С (рис. 3).


Рис. 3. Результаты четырех этапов эксперимента по ступенчатому сжиганию пробы аргиллитов: 1 — сжигание первичного материала в закрытой печи при температуре до 550°С; 2 — то же, в присутствии кислорода; 3 — сжигание оставшейся после этапов 1 и 2 тугоплавкой фракции в присутствии кислорода при температурах от 550 до 870°С; 4 — дожиг оставшейся после этапа 3 фракции в присутствии кислорода при температуре до 870°С. Слева — количество высвободившегося углерода (в мкг/г) по данным приборов TLS и QMS. Справа — изотопное отношение δ13C. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

Авторы считают, что на первом этапе выделился экзогенный углерод, связанный с поверхностными источниками, а также с посторонними примесями, попавшими в прибор при отборе пробы. Предыдущие эксперименты по пиролизу пород из кратера Гейла показали, что разрыв связей в сложных органических молекулах происходит при температуре выше 550°С (J. L. Eigenbrode et al., 2018. Organic matter preserved in 3-billion-year-old mudstones at Gale crater, Mars). Поэтому исследователи относят к органическому углерод, выделившийся на третьем и четвертом этапах. Это подтверждают и изотопные данные.

Результаты эксперимента по сжиганию показали, что в озерных аргиллитах залива Йеллоунайф содержится от 201 до 273 ppm органического углерода. Это существенно больше, чем в известных марсианских метеоритах, представленных главным образом вулканическими породами, и соответствует нижней границе содержания органического углерода в поверхностных горных породах Земли. Примерно такие значения характерны, например, для пород из пустыни Атакама в Южной Америке — самого сухого места на нашей планете.

Несмотря на то, что полученные значения δ13C ниже, чем во всех предыдущих исследованиях марсианских образцов, ученые не спешат делать вывод об однозначно биогенном происхождении органического углерода в аргиллитах залива Йеллоунайф. Близкие значения имеет высокомолекулярная углеродная фаза, выделенная из марсианских метеоритов, а также тугоплавкая фракция магматических пород Марса (рис. 4).

Интересно, что изотопные отношения δ13C в тугоплавкой фракции аргиллитов залива Йеллоунайф принципиально отличаются от значений, полученных ранее для осадочных пород из кратера Гейла (на рис. 4 обозначены зеленым). Авторы объясняют это тем, что до этого для выделения углерода применяли метод пиролиза, не позволяющий разделить пробу на легко- и тугоплавкую фракции. В итоге получали усредненные изотопные значения, по которым трудно делать выводы.


Рис. 4. Изотопные отношения углерода в марсианских образцах по данным предыдущих работ и данного исследования (показаны красным): фиолетовый цвет — в атмосфере Марса; синий — экстрагируемое растворителем органическое вещество метеоритов; оранжевый — нерастворимое вещество метеоритов; серый и желтый — карбонаты метеоритов; голубой — тугоплавкий углерод магматических пород; зеленый — осадочные породы кратера Гейла (по H. B. Franz et al., 2020. Indigenous and exogenous organics and surface–atmosphere cycling inferred from carbon and oxygen isotopes at Gale crater); красным — тугоплавкая (>550°С) фракция аргиллитов залива Йеллоунайф. Пунктирная линия показывает границу между преимущественно биогенным (слева) и минеральным (справа) углеродом. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS

Изотопный состав не указывает на происхождение углерода, а только позволяет судить о том, какую часть от общего количества этого элемента составляет органический углерод, а какую — минеральный. «Но нельзя исключать биологическое происхождение некоторого количества углерода», — осторожно отмечают авторы исследования.

Чтобы получить однозначные доказательства присутствия древней или современной жизни на Марсе, необходимо найти осадочные горные породы, образованные древними бактериями, или сложные органические соединения — продукты жизнедеятельности организмов. Тем не менее, знание общего количества органического углерода важно для понимания того, сколько было на поверхности Марса доступного материала для пребиотических процессов в то время, когда на Красной планете была вода и прочие условия для зарождения жизни.

Источник: Jennifer C. Stern, Charles A. Malespin, Jennifer L. Eigenbroderg, Christopher R. Webster, Greg Flesch, Heather B. Franz, Heather V. Graham, Christopher H. House, Brad Sutter, Paul Douglas Archer Jr., Amy E. Hofmann, Amy C. McAdam, Douglas W. Ming, Rafael Navarro-Gonzalez, Andrew Steele, Caroline Freissinet, Paul R. Mahaffy. Organic carbon concentrations in 3.5-billion-year-old lacustrine mudstones of Mars // PNAS. 2022. DOI: 10.1073/pnas.2201139119.

Владислав Стрекопытов

источник

Случайная картинка

джеты

Новые комментарии

Академия Собор
ихтиосфера
Яндекс.Метрика
Рейтинг@Mail.ru
Индекс цитирования.