追踪火星沉积物中有机物的起源

尽管迄今为止，火星呈现出贫瘠、尘土飞扬的景象，没有任何生命迹象，但其三角洲、湖床和河谷等地质特征强烈表明，过去其表面曾经有大量水流。为了探索这种可能性，科学家们检查了这些地层附近保存的沉积物。这些沉积物的成分提供了有关早期环境条件、随着时间的推移塑造地球的过程，甚至过去生命的潜在迹象的线索。

在一项这样的分析中，好奇号火星车从盖尔陨石坑收集的沉积物揭示了有机物，盖尔陨石坑被认为是大约38亿年前因小行星撞击而形成的古老湖泊。然而，与地球上发现的有机物相比，这种有机物的碳13同位素(13C)含量明显低于碳12同位素(12C)，这表明火星上有机物形成的过程不同。

现在，2024年5月9日发表在《自然地球科学》杂志上的一项研究阐明了这种差异。由东京工业大学教授YuichiroUeno和哥本哈根大学MatthewJohnson教授领导的研究小组发现，大气中的二氧化碳(CO2)光解成一氧化碳(CO)并随后还原，从而产生有机物13C含量耗尽的物质。

“在测量13C和12C之间的稳定同位素比率时，火星有机物的13C丰度为构成其碳的0.92%至0.99%。与地球沉积有机物相比，这是极低的，地球沉积有机物是约1.04%，大气中的CO2约1.07%，两者都是生物残留物，与陨石中约1.05%的有机物不同，”上野解释道。

早期火星的大气层富含CO2，​​其中含有13C和12C同位素。研究人员在实验室实验中模拟了火星大气成分和温度的不同条件。他们发现，当12CO2暴露在太阳紫外线(UV)下时，它会优先吸收紫外线辐射，导致其解离成13C贫化的CO，留下13C富集的CO2。

这种同位素分馏(同位素的分离)也在火星和地球的高层大气中观察到，来自太阳的紫外线照射导致CO2分解成CO并耗尽13C含量耗尽的CO。在还原性的火星大气中，二氧化碳转化为简单的有机化合物，例如甲醛和羧酸。

在火星早期，表面温度接近水的冰点且不超过300K(27°C)，这些化合物可能溶解在水中并沉积在沉积物中。

通过模型计算，研究人员发现，在CO2与CO比例为90:10的大气中，20%的CO2转化为CO将导致沉积有机物的δ13CVPDB值为-135‰。此外，剩余的CO2将富集于13C和δ13CVPDB值为+20‰。这些值与好奇号火星车分析的沉积物中看到的值以及根据火星陨石估计的值非常吻合。这一发现表明，大气过程而不是生物过程是早期火星上有机物形成的主要来源。

“如果这项研究的估计是正确的，那么火星沉积物中可能存在意想不到数量的有机物质。这表明未来对火星的探索可能会发现大量的有机物质，”上野说。