Koolstof is van cruciaal belang voor het leven, voor zover we weten. Dus elke keer dat we ergens zoals Mars een sterke CO2-voetafdruk detecteren, kan dit wijzen op biologische activiteit.
Wijst het sterke koolstofsignaal in Mars-gesteenten op een of ander biologisch proces?
Elk sterk koolstofsignaal is interessant als je op zoek bent naar leven. Het is een gemeenschappelijk onderdeel van al het leven zoals we het kennen. Maar er zijn verschillende soorten koolstof en koolstof kan om andere redenen in het milieu worden geconcentreerd. Het betekent niet automatisch dat het leven betrokken is bij de ecologische voetafdruk.
Koolstofatomen hebben altijd zes protonen, maar het aantal neutronen kan variëren. Koolstofatomen met verschillende aantallen neutronen worden isotopen genoemd. Er bestaan van nature drie isotopen van koolstof: C12 en C13, die stabiele isotopen zijn, en C14, die radionucliden zijn. C12 bevat zes neutronen, C13 bevat zeven neutronen en C14 bevat acht neutronen.
Als het om koolstofisotopen gaat, geeft het leven de voorkeur aan C12. Ze gebruiken het bij fotosynthese of om voedsel te metaboliseren. De reden is relatief eenvoudig. C12 heeft één neutron minder dan C13, wat betekent dat wanneer het zich bindt met andere atomen in moleculen, het minder verbindingen maakt dan C13 op dezelfde positie. Het leven is in wezen lui en je zult altijd streven naar de gemakkelijkste manier om dingen te doen. C12 is gemakkelijker te gebruiken omdat het minder bindingen vormt dan C13. Het is gemakkelijker om bij C13 te komen, en het leven is nooit moeilijk als er een gemakkelijkere manier beschikbaar is.
Curiosity is hard aan het werk in de Gale-krater van Mars, op zoek naar tekenen van leven. Hij graaft de rotsen op, haalt er een verpulverd monster uit en stopt het in het scheikundelab aan boord. Het Curiosity Laboratory heet SAM, wat staat voor: Monsteranalyse op Mars. In de SAM gebruikt de rover pyrolyse om het monster te bakken en de koolstof in het gesteente om te zetten in methaan. Pyrolyse wordt uitgevoerd in een inerte heliumstroom om verontreiniging in het proces te voorkomen. Dan verkent het het gas met een instrument genaamd afstembare laserspectrometer Om de koolstofisotopen in methaan te achterhalen.
Het monsteranalyse-instrument op Mars heet SAM. SAM bestaat uit drie verschillende instrumenten die organische chemicaliën en lichte elementen die potentieel belangrijke componenten van het leven zijn, zoeken en meten. Krediet: NASA/JPL-Caltech
Het team achter het SAM Curiosity-systeem bekeek 24 gesteentemonsters in dit proces en ontdekte onlangs iets opmerkelijks. Zes van de monsters vertoonden verhoogde niveaus van C12 tot C13. Vergeleken met de op aarde gebaseerde referentiestandaard voor C12/C13-verhoudingen, bevatten monsters van deze zes locaties meer dan 70 delen per duizend C12. Op aarde is 98,93% van de koolstof C12-aarde en C13 vormt de resterende 1,07%.
Een nieuwe studie gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences (PNAS) presenteert de resultaten. De titel isVerarmde koolstofisotoopsamenstellingen werden waargenomen in Gale Crater, Mars.De hoofdauteur is Christopher House, een nieuwsgierigheidswetenschapper aan de Penn State University.
Het is een opwindende ontdekking, en als deze resultaten op aarde zouden zijn verkregen, zouden ze erop wijzen dat een biologisch proces een overvloed aan C12 produceerde.
Op de oude aarde produceerden pelagische bacteriën methaan als bijproduct. Ze heten methanogenen, die prokaryoten zijn van het domein Archaea. Methanogenen worden vandaag de dag nog steeds gevonden op aarde, in zuurstofarme wetlands, in het spijsverteringskanaal van herkauwers en in ruwe omgevingen zoals warmwaterbronnen.
Deze bacteriën produceren methaan, dat de atmosfeer binnenkomt en reageert met ultraviolet licht. Deze interacties produceren complexere moleculen die op het aardoppervlak vallen. Ze zijn bewaard gebleven in de rotsen van de aarde, samen met hun koolstofvoetafdruk. Hetzelfde kan op Mars zijn gebeurd, en als dat het geval was, zou dat de ontdekkingen van Curiosity kunnen verklaren.
Maar dit is Mars. Als de geschiedenis van de zoektocht naar leven op Mars ons iets vertelt, is het niet dat we op de zaken vooruit moeten lopen.
“We vinden interessante dingen op Mars, maar we hebben echt meer bewijs nodig om te zeggen dat we leven hebben geïdentificeerd”, zegt Paul Mahaffey, een voormalig hoofdonderzoeker die Curiosity-monsters analyseerde in het Mars Laboratory. “Dus we kijken naar wat de oorzaak zou kunnen zijn van de koolstofsignatuur die we zien, zo niet het leven.”
Curiosity maakte deze 360-graden panoramische foto op 9 augustus 2018 bij Vera Rubin Ridge. Bron: NASA / JPL-Caltech / MSSS
In hun paper schreven de auteurs: “Er zijn meerdere plausibele verklaringen voor degenen die abnormaal uitgeput zijn 13C wordt waargenomen in het evoluerende methaan, maar geen enkele verklaring kan worden aanvaard zonder verder onderzoek. “
Een moeilijkheid bij het begrijpen van carbon footprints als deze is de zogenaamde grondbias. Het meeste van wat wetenschappers weten over de chemie van de atmosfeer en aanverwante zaken is gebaseerd op de aarde. Dus als het gaat om de nieuw ontdekte koolstofsignatuur op Mars, kunnen wetenschappers het moeilijk vinden om hun geest open te houden voor nieuwe mogelijkheden die misschien niet op Mars bestaan. De geschiedenis van de zoektocht naar leven op Mars vertelt ons dit.
Goddard-astrobioloog Jennifer L. Eigenbrod, die betrokken was bij de koolstofstudie, zei. Eerder leidde Eigenbrode een internationaal team van Curiosity-wetenschappers bij het ontdekken van talloze organische moleculen – die koolstof bevatten – op het oppervlak van Mars.
“We moeten onze geest openen en buiten de kaders denken, en dat is wat deze krant doet”, zei Eigenbrod.
De onderzoekers citeerden in hun paper twee niet-biologische verklaringen voor de ongebruikelijke koolstofsignatuur. Een daarvan betreft moleculaire wolken.
De moleculaire wolkenhypothese stelt dat ons zonnestelsel honderden miljoenen jaren geleden door een moleculaire wolk is gegaan. Dit is een zeldzame gebeurtenis, maar het gebeurt eens in de 100 miljoen jaar, dus wetenschappers kunnen het niet uitsluiten. Moleculaire wolken zijn voornamelijk moleculaire waterstof, maar men kan rijk zijn aan het lichtere type koolstof dat Curiosity in Gale Crater heeft ontdekt. De wolk heeft Mars mogelijk aanzienlijk afgekoeld, waardoor in dit scenario ijstijd is ontstaan. Afkoeling en ijsvorming verhinderden dat de lichtere koolstof in de moleculaire wolken zich vermengde met de andere koolstof van Mars, waardoor afzettingen van verhoogde koolstofdioxide ontstonden. Het artikel stelt dat “smelten van gletsjers tijdens de ijstijd en daarna terugtrekkend ijs interstellaire stofdeeltjes op het geomorfologische oppervlak zouden achterlaten”.
De hypothese klopt aangezien Curiosity enkele hoge C12-niveaus heeft gevonden op bergkammen – zoals de Vera Rubin Ridge – en andere hoge punten bij Gale Crater. De monsters werden verzameld van “… een verscheidenheid aan rotsen (kleisteen, zand en zandsteen) en werden voorlopig verdeeld tijdens de operaties van de missie tot nu toe”, aldus de krant. De moleculaire wolkenhypothese is echter een onwaarschijnlijke reeks gebeurtenissen.
NASA’s Curiosity-rover heft zijn robotarm op met de boor naar de hemel gericht terwijl hij Vera Rubin Ridge verkent aan de voet van Mount Sharp in Gale Crater – tegen de achtergrond van een verre kraterrand. Dit Navcam-cameramozaïek is genaaid uit onbewerkte afbeeldingen die zijn gemaakt op Sol 1833, 2 oktober 2017, en is gekleurd. Krediet: NASA/JPL/Ken Kramer/kenkremer.com/Marco DiLorenzo.
Een andere niet-biologische hypothese betreft ultraviolet licht. De atmosfeer van Mars bevat meer dan 95% koolstofdioxide en in dit scenario kan UV-licht reageren met koolstofdioxidegas in de atmosfeer van Mars, wat resulteert in nieuwe koolstofhoudende deeltjes. De deeltjes zouden op Mars zijn neergedaald en daar deel gaan uitmaken van de rotsen. Deze hypothese is vergelijkbaar met hoe methanogenen indirect C12 op aarde produceren, maar is volledig abiotisch.
“Alle drie de verklaringen passen bij de gegevens”, zei hoofdauteur Christopher House. “We hebben gewoon meer gegevens nodig om ze uit te sluiten of uit te sluiten.”
Dit cijfer uit de studie verduidelijkt de drie hypothesen die de koolstofsignatuur zouden kunnen verklaren. Blauw toont biologisch geproduceerd methaan uit het binnenste van Mars, dat het uitgeputte organische materiaal neersloeg bij 13 ° C na fotolyse. Oranje toont fotochemische reacties via UV-licht die kunnen resulteren in veel atmosferische producten, waarvan sommige kunnen worden afgezet als organisch materiaal met gemakkelijk verbroken chemische bindingen. Gray toont de moleculaire wolkenhypothese. Krediet: House et al. 2022.
“Op aarde zijn de processen die het koolstofsignaal produceren dat we op Mars detecteren biologische processen”, voegde House eraan toe. “We moeten begrijpen of dezelfde verklaring voor Mars werkt of dat er andere verklaringen zijn omdat Mars totaal anders is.”
Ongeveer de helft van de monsters van Curiosity bevatte onverwacht hoge niveaus van C12. Het is niet alleen hoger dan het aandeel van de aarde; Het is hoger dan wat wetenschappers hebben gevonden in meteorieten van Mars en de atmosfeer van Mars. De monsters kwamen van vijf locaties in Gale Crater, en alle locaties hadden één ding gemeen: ze hadden goed bewaarde oude daken.
Zoals Paul Mahaffy zei, zijn de resultaten ‘indrukwekkend intrigerend’. Maar wetenschappers leren nog steeds over de koolstofcyclus op Mars en we weten nog steeds niet veel. Het is verleidelijk om aannames te doen over de koolstofcyclus op Mars op basis van de koolstofcyclus op aarde. Maar koolstof kan door Mars circuleren op manieren die we nog niet hebben geraden. Of deze koolstofsignatuur uiteindelijk een teken van leven is, is nog steeds waardevolle kennis als het gaat om het begrijpen van de koolstofsignatuur van Mars.
“Het definiëren van de koolstofcyclus op Mars is absoluut essentieel om te proberen te begrijpen hoe het leven in die cyclus zou kunnen passen”, zegt Andrew Steele, een nieuwsgierigheidswetenschapper aan de Carnegie Institution for Science in Washington, D.C. “We hebben dit met succes op aarde gedaan, maar we beginnen net die cyclus voor Mars te definiëren.”
Maar het is niet eenvoudig om conclusies te trekken over Mars op basis van de koolstofcyclus op aarde. Steele legde dit uit toen hij zei: “Er is een groot deel van de koolstofcyclus op aarde dat leven omvat, en vanwege het leven is er een groot deel van de koolstofcyclus op aarde dat we niet begrijpen, want overal waar we kijken, is er leven .”
NASA’s Perseverance-rover zoekt naar tekenen van oud leven op Mars bij Jezero Crater. Resultaten van Curiosity kunnen informatie geven over persistentiebemonsteringsactiviteiten. Krediet: NASA/JPL-Caltech/MSSS
Curiosity is nog steeds actief op Mars en zal dat nog wel een tijdje doen. De betekenis van deze monsters, samen met een beter begrip van de koolstofcyclus op Mars, ligt in het verschiet. Curiosity zal meer stenen nemen om de koolstofisotoopconcentraties te meten. Je zult stenen proeven van andere oude, goed bewaarde oppervlakken om te zien of de resultaten vergelijkbaar zijn. In het ideale geval zou het een andere methaankolom tegenkomen en deze bemonsteren, maar deze gebeurtenissen zijn onvoorspelbaar en er is geen manier om je hierop voor te bereiden.
Hoe dan ook, deze resultaten zullen helpen bij het verzamelen van persistentiemonsters bij Jezero Crater. Doorzettingsvermogen kan soortgelijke koolstofsignalen bevestigen en zelfs bepalen of ze al dan niet biologisch zijn.
Perseverance verzamelt ook monsters om terug te keren naar de aarde. Wetenschappers zullen deze monsters actiever bestuderen dan het laboratorium op de rover, dus wie weet wat we zullen leren.
Oud leven op Mars is een verleidelijke mogelijkheid, maar voorlopig is het in ieder geval niet zeker.
Oorspronkelijk geplaatst in universum vandaag.
Zie voor meer informatie over dit onderzoek:
Referentie: “Verarmde koolstofisotoopsamenstellingen waargenomen bij Gale Crater, Mars” door Christopher H. . Atria, Jennifer L. Eigenbrod, Alexis Gilbert, Amy E. Hoffman, Maeva Milan, Andrew Steel, Daniel B. Glavin, Charles A. Malspin en Paul R. Mahaffey, 17 januari 2022, Proceedings van de National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2115651119
