Dane z łazika Curiosity zmuszają naukowców do jednej odpowiedzi o Marsie

Modele pokazują, że prosta chemia bez udziału życia nie tłumaczy już liczb.

Badany przez łazik Curiosity mułowiec z krateru Gale zawiera tak dużo węgla organicznego, że zespół naukowców z NASA i ośrodków badawczych z różnych krajów doszedł do niewygodnego wniosku: typowe procesy geologiczne i kosmiczne nie wystarczają, by wyjaśnić jego skład.

Nietypowa skała w kraterze Gale

Curiosity od ponad dekady bada krater Gale – ogromne, dawne jezioro, w którym miliardy lat temu krążyła woda w postaci ciekłej. W jednym z odwiertów łazik trafił na skałę osadową bogatą w związki organiczne zawierające do około 12 atomów węgla w cząsteczce. Jak na Marsa to prawdziwa rzadkość.

Na Ziemi takie substancje często wiążą się z aktywnością biologiczną: są to między innymi fragmenty kwasów tłuszczowych i innych cząsteczek związanych z błonami komórkowymi czy rozkładem dawnych organizmów. Na Czerwonej Planecie to od razu uruchamia wyobraźnię – czy to może być ślad życia?

Curiosity znalazł w marsjańskim mułowcu ilość związków organicznych, której nie da się łatwo wyjaśnić typową chemią nieożywioną.

Problem w tym, że sam łazik ma ograniczony zestaw instrumentów. Potrafi wykryć i częściowo scharakteryzować cząsteczki organiczne, ale nie rozstrzygnie, czy ich źródłem była biologia, czy czysta geochemia. Dlatego część pracy przeniosła się z Marsa do ziemskich laboratoriów.

Eksperyment: 80 milionów lat marsjańskiego promieniowania w pudełku

Nowa analiza, opisana w czasopiśmie „Astrobiology”, polegała na odtworzeniu w warunkach laboratoryjnych tego, co przez dziesiątki milionów lat mogło dziać się z materią organiczną tuż pod powierzchnią Marsa. Zespół przygotował próbki skał podobnych do tych z krateru Gale, nasycił je różnymi typami związków organicznych, a następnie wystawił na symulowane promieniowanie odpowiednie dla powierzchni Czerwonej Planety.

Badacze musieli uwzględnić kilka kluczowych faktów:

• Mars ma bardzo cienką atmosferę, więc promieniowanie kosmiczne i słoneczne głęboko penetruje grunt.
• Związki organiczne są wrażliwe na takie promieniowanie – ich cząsteczki pękają, powstają prostsze fragmenty lub ulegają całkowitemu zniszczeniu.
• Curiosity wierci na głębokość kilku centymetrów, czyli w warstwie, w której degradacja promieniowaniem jest szczególnie silna.

Naukowcy sprawdzali, ile materii organicznej „przeżyje” taki symulowany bombardament po równowartości około 80 milionów lat. Następnie porównali wyniki eksperymentów i modeli z realnymi pomiarami łazika.

Wniosek z modeli: kiedyś musiało być tego znacznie więcej

Z obliczeń wyszło, że obecny poziom związków organicznych w badanym mułowcu oznacza bardzo dużą wyjściową koncentrację. Innymi słowy – zanim promieniowanie przez dziesiątki milionów lat „przemieliło” skałę, w tym samym miejscu musiało znajdować się o rząd wielkości więcej węgla organicznego.

Jeśli dziś Curiosity widzi tak wysoką zawartość organicznych cząsteczek, to przeszły one przez długotrwałą destrukcję i mimo tego pozostało ich zaskakująco dużo.

To właśnie ta liczba stała się punktem zapalnym dla dyskusji o pochodzeniu tych cząsteczek.

Dlaczego prosta chemia nie wystarcza

Zespół przeanalizował kilka potencjalnych źródeł materii organicznej na Marsie, zakładając wyłącznie procesy nieożywione – czyli bez udziału jakiegokolwiek życia.

Scenariusz 1: „deszcz” z kosmosu

Pierwsza możliwość to pył kosmiczny i meteoryty. Wiemy, że na Ziemię stale spadają mikrometeoryty bogate w węgiel organiczny. Mars również je zbiera. Badacze policzyli więc, ile takich cząsteczek mogłoby wbudować się w powierzchnię krateru Gale przez czas jego istnienia.

Problem: nawet przy założeniu hojnego „deszczu meteorytowego” wyniki nie zgadzały się z tym, co zmierzył Curiosity. W modelu zawsze wychodziło zbyt mało związków organicznych w porównaniu z realną skałą.

Scenariusz 2: dawna gęsta atmosfera i chemia podobna do ziemskiej

Drugi trop zakładał, że miliardy lat temu Mars miał znacznie gęstszą atmosferę, bogatszą w gazy, z których mogły powstawać proste cząsteczki organiczne – trochę jak w klasycznych eksperymentach laboratoryjnych pokazujących powstawanie „pierwszej zupy chemicznej”. Kluczowe są tu proporcje metanu i dwutlenku węgla.

Modele pokazują jednak, że stosunek tych gazów na młodym Marsie raczej nie sprzyjał produkcji dużych ilości organicznych związków w atmosferze, które potem opadałyby do dawnego jeziora w kraterze Gale. Znów, liczby nie dociągały do poziomów odnotowanych przez łazik.

Scenariusz 3: głębokie wnętrze planety

Kolejna hipoteza mówiła o związkach organicznych formowanych głęboko w płaszczu Marsa. Takie cząsteczki mogłyby zostać wyniesione na powierzchnię podczas potężnych uderzeń meteorytów lub przez dawne procesy wulkaniczne. W tym wypadku powinna się jednak wyraźnie różnić mineralogia skały.

Analiza próbek z krateru Gale wskazuje, że badana skała bardziej przypomina osady dawnego jeziora niż materiał wyrzucony z głębi planety. Gdyby najważniejsze związki powstały w płaszczu i zostały wyniesione przy zderzeniu, skład mułowca wyglądałby inaczej. Ten scenariusz też więc traci sens.

Niezależnie od przyjętego mechanizmu nieożywionego pochodzenia – z kosmosu, z dawnej atmosfery czy z wnętrza planety – modele nie osiągały poziomu materii organicznej obserwowanej przez Curiosity.

Czy to już dowód na dawne życie na Marsie?

W tym miejscu rodzi się kusząca myśl: skoro zawiodły wszystkie realistyczne scenariusze abiotyczne, może mamy do czynienia z chemicznym śladem organizmów, które kiedyś żyły w jeziorze Gale? Naukowcy są bardzo ostrożni. Zwracają uwagę, że brak dobrego wyjaśnienia nieoznaczającego udziału życia nie daje automatycznie odpowiedzi pozytywnej.

Kluczowy problem polega na braku próbek w laboratoriach na Ziemi. Instrumenty Curiosity są świetnie zaprojektowane, ale to wciąż miniaturowe laboratorium polowe. Precyzja i zakres badań, które można wykonać na orbicie lub na powierzchni planety, nie dorównują tym możliwym w dużych ośrodkach analitycznych.

Dlaczego misja Mars Sample Return jest tak ważna

Dlatego w środowisku naukowym tak wiele emocji budzi planowana misja Mars Sample Return, przygotowywana wspólnie przez NASA i Europejską Agencję Kosmiczną. Jej główny cel to przywiezienie na Ziemię hermetycznie zamkniętych próbek skał, które już teraz zbiera i odkłada łazik Perseverance w innym rejonie planety.

Jeśli uda się dostarczyć takie próbki do ziemskich laboratoriów, naukowcy będą mogli:

• zbadać dokładny skład cząsteczek organicznych, włącznie z ich strukturą przestrzenną,
• zmierzyć stosunki izotopowe węgla i innych pierwiastków, co jest jednym z głównych testów na udział procesów biologicznych,
• sprawdzić, czy w skałach nie zachowały się mikroskopijne struktury przypominające mikroorganizmy lub biofilmy,
• porównać różne stanowiska na Marsie między sobą – np. krater Jezero badany przez Perseverance i krater Gale badany przez Curiosity.

W przypadku mułowca z Gale sytuacja jest trudniejsza, bo Curiosity nie gromadzi próbek w pojemnikach do późniejszego odbioru. Dane, którymi dysponujemy, pochodzą wyłącznie z analizy na miejscu. Mimo to wyniki nowego modelowania będą mieć duże znaczenie przy wyborze przyszłych lokalizacji do wierceń i ewentualnego poboru próbek do transportu na Ziemię.

Co właściwie oznacza „biosygnatura” i dlaczego tak trudno ją potwierdzić

Biosygnatura to sygnał, który w normalnych warunkach najłatwiej wytłumaczyć obecnością lub działalnością organizmów. Nie musi to być od razu skamieniała bakteria widoczna pod mikroskopem. Często mowa o charakterystycznych stosunkach izotopów, specyficznych cząsteczkach lub trwałych wzorcach chemicznych.

Problem polega na tym, że w kosmosie chemia bywa kreatywna. Procesy czysto geologiczne lub fizyczne potrafią wytwarzać układy, które na pierwszy rzut oka wyglądają „zbyt życiowo”. Przez to naukowcy starają się być bardzo surowi – zanim użyją słowa „życie”, muszą odrzucić wszystkie znane procesy nieożywione.

Przypadek skały z krateru Gale to mocny kandydat na biosygnaturę, bo kolejne scenariusze abiotyczne odpadają jeden po drugim. Mimo to badacze podkreślają konieczność dalszych prac teoretycznych i laboratoryjnych. Nie wykluczają, że istnieje jeszcze nieznany mechanizm geochemiczny, który pozwoliłby nasycić mułowiec tak wysoką ilością węgla organicznego bez udziału życia.

Co dalej z poszukiwaniami śladów życia na Marsie

Nowe wyniki wzmacniają argument, że przyszłe misje powinny sięgać głębiej pod powierzchnię planety. Tam promieniowanie ma mniejszy wpływ, więc delikatne cząsteczki mają większą szansę przetrwać w stanie mniej zniszczonym. Europejski łazik ExoMars, który wciąż czeka na swój lot, ma wiercić na głębokość do około dwóch metrów – to może diametralnie zmienić obraz marsjańskiej chemii organicznej.

Jeśli w głębszych warstwach znajdą się podobne lub jeszcze większe ilości związków organicznych, a modele znów nie wskażą przekonującej drogi abiotycznej, presja na biologiczną interpretację danych wyraźnie wzrośnie. Z drugiej strony brak takich sygnałów na większych głębokościach zmusi badaczy do ponownego przemyślenia historii krateru Gale i całego klimatu dawnego Marsa.

Dla zwykłego czytelnika ta dyskusja może brzmieć abstrakcyjnie, ale ma bardzo przyziemne znaczenie: odpowiedź na pytanie, czy życie jest czymś powszechnym we Wszechświecie, czy raczej rzadkim przypadkiem. Mars, jako sąsiad Ziemi z dobrze zachowanym zapisem wczesnej historii Układu Słonecznego, pozostaje jednym z najlepszych poligonów do takich badań.

Jeżeli w osadach dawnego jeziora sprzed miliardów lat naprawdę działają ślady bytów żywych, oznacza to, że życie może pojawiać się wszędzie tam, gdzie przez dłuższy czas istnieje woda, energia i odpowiednie pierwiastki. Jeżeli natomiast nawet tak bogate w związki organiczne skały da się w pełni wytłumaczyć bez udziału biologii, wtedy wizja pełnego organizmów kosmosu staje się mniej oczywista. Mars stawia więc naukowcom trudne pytanie, na które na razie nie da się odpowiedzieć jednym zdaniem.