追踪火星沉积物中有机物的起源

拓牛李强

有机物的大气来源表明，火星表面可能含有比先前预期更多的有机化合物。来源：东京理工大学

据东京工业大学：尽管到目前为止，火星呈现出一片贫瘠、尘土飞扬的景象，没有生命迹象，但其三角洲、湖床和河谷等地质特征强烈表明，火星表面曾经有大量的水流。为了探索这种可能性，科学家们对这些地层附近保存的沉积物进行了检查。这些沉积物的成分为早期环境条件、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提供了线索。

在一次这样的分析中，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一个古老湖泊。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的形成过程不同。

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。由东京理工学院的Yuichiro Ueno教授和哥本哈根大学的Matthew Johnson教授领导的一个研究小组发现，大气中的二氧化碳（CO2）光解为一氧化碳（CO）并随后还原，导致有机物中13C含量减少。

上野解释道：“在测量13C和12C之间的稳定同位素比率时，火星有机物的13C丰度为构成它的碳的0.92%至0.99%。与地球的沉积有机物（约1.04%）和大气中的二氧化碳（约1.07%）相比，这是极低的，这两种物质都是生物残留物，与陨石中的有机物质（约1.05%）不相似。”。

早期火星的大气层富含二氧化碳，同时含有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，它优先吸收紫外线辐射，导致其离解为13C中贫化的CO，留下富含13C的CO2。

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

在火星早期，表面温度接近水的冰点，不超过300 K（27°C），这些化合物可能已经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，在二氧化碳与一氧化碳之比为90:10的大气中，20%的二氧化碳与一氧化碳的转化率将导致δ13CVPDB值为-135‰的沉积有机物。此外，剩余的CO2将富含13C，δ13CVPDB值为+20‰。这些数值与“好奇号”火星车分析的沉积物和从火星陨石中估计的数值非常吻合。这一发现表明，早期火星有机物形成的主要来源是大气过程，而不是生物过程。

上野说：“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大量的有机物质。这表明未来对火星的探索可能会发现大量的有机物。”。