好奇號重大發(fā)現(xiàn)：火星湖泊曾因寒冷而結(jié)冰，而且還有碳循環(huán)存在！

通過研究火星上的化學元素，科學家們可以倒推歷史，拼湊出火星這顆曾經(jīng)擁有維持生命所需條件星球的歷史。從大約1.4億英里（2.25億公里）外的地球逐個元素編織這個故事是一個艱苦的過程。但是科學家不是那種容易被嚇倒的人，火星上的軌道器和火星車已經(jīng)證實，由于包括干燥的河床、古老的海岸線和含鹽的表面化學等線索，表明這個火星曾經(jīng)有過液態(tài)水。

利用美國宇航局的好奇號火星車，科學家們發(fā)現(xiàn)了火星湖泊長期存在的證據(jù)。還挖掘出了有機化合物，也就是生命的化學構件。液態(tài)水和有機化合物的結(jié)合迫使科學家們繼續(xù)搜索火星，尋找過去或現(xiàn)在的生命跡象。盡管到目前為止發(fā)現(xiàn)了誘人的證據(jù)，但科學家們對火星歷史的理解仍在展開，有幾個主要問題有待商榷。首先，古老的火星大氣層是否足夠厚，足以讓火星保持溫暖，從而保持濕潤，以滿足萌芽和培育生命所需的時間？

至于有機化合物：它們是生命的跡象，還是火星巖石與水和陽光相互作用時發(fā)生的化學跡象？在新發(fā)表在《自然天文學》期刊上的研究中，科學家提供了一些見解，幫助回答這些問題。這項多年的實驗是在“好奇號”肚子里的化學實驗室進行，名為“火星樣本分析”(SAM)。研究發(fā)現(xiàn)，蓋爾隕石坑巖石中的某些礦物，可能是在冰蓋的湖泊中形成。這些礦物可能是在夾在暖期之間的寒冷階段形成，或者是在火星失去了大部分大氣層并開始變得永久寒冷之后形成的。

火星寒冷結(jié)冰的條件

蓋爾隕石坑的大小相當于康涅狄格州和羅德島總和，被選為好奇號火星車的著陸點，因為它有過去有水的跡象，包括可能有助于捕獲和保存古代有機分子的粘土礦物。事實上，在探索火山口中心一座名為夏普山(Mount Sharp)的山腳時，好奇號發(fā)現(xiàn)了一層1000英尺(304米)厚的沉積物，它是作為泥漿沉積在古代湖泊中的。為了形成如此多的沉積物，令人難以置信數(shù)量的水將流入這些湖泊，持續(xù)數(shù)百萬到數(shù)千萬年的溫暖和潮濕。

但隕石坑中的一些地質(zhì)特征也暗示了過去包括寒冷、結(jié)冰的條件。美國宇航局戈達德太空飛行中心的地球化學家希瑟·弗蘭茲說：在某種程度上，火星表面的環(huán)境肯定經(jīng)歷了從溫暖潮濕到寒冷干燥的轉(zhuǎn)變，就像現(xiàn)在這樣，但這種轉(zhuǎn)變發(fā)生的確切時間和方式仍然是一個謎。領導火星樣本分析研究的弗蘭茲指出：火星傾斜度和火山活動量的變化等因素，可能會導致火星氣候隨著時間的推移在溫暖和寒冷之間交替。

火星巖石中的化學和礦物學變化支持了這一觀點，表明一些層形成于較冷的環(huán)境中，另一些形成于較溫暖的環(huán)境中。但無論如何，到目前為止，“好奇號”火星車收集的一系列數(shù)據(jù)表明：該研究小組看到了記錄在巖石中火星氣候變化的證據(jù)。在火星樣本分析實驗室從13個塵埃和巖石樣本中提取了二氧化碳和氧氣后，研究團隊發(fā)現(xiàn)了火星寒冷古代環(huán)境的證據(jù)，好奇號在五個地球年(地球年與火星年)中收集了這些樣本。

火星氣候故事中的碳和氧

二氧化碳是一個碳原子與兩個氧原子結(jié)合的分子，碳是神秘火星氣候的關鍵證人。事實上，這種簡單而多才多藝的元素，在尋找其他地方的生命時就像水一樣至關重要。在地球上，碳在空氣、水和地表持續(xù)流動，這是一個眾所周知依賴于生命的循環(huán)。例如，植物以二氧化碳的形式從大氣中吸收碳。作為回報，它們產(chǎn)生氧氣，人類和大多數(shù)其他生命形式在這個過程中利用氧氣進行呼吸。最終碳再次通過二氧化碳釋放到空氣中，或者隨著生命形式的死亡和被掩埋而釋放到地殼中。

科學家們發(fā)現(xiàn)火星上也存在碳循環(huán)，并正在努力了解這一點?；蛟S這顆紅色星球上的水很少，曾經(jīng)表面生命可能也很豐富，至少在過去的30億年里，碳循環(huán)與地球有很大的不同。美國國家航空航天局戈達德分部主任、SAM首席研究員保羅·馬哈菲(Paul Mahaffy)表示：盡管如此，碳循環(huán)仍在進行，而且仍然很重要，因為它不僅有助于揭示有關火星古代氣候的信息，這也向我們表明，火星是一顆充滿活力的行星，它在循環(huán)元素，而這些元素是生命的建筑塊。

提供條件

在好奇號將巖石和塵埃樣本送入火星樣本分析后，實驗室將每個樣本加熱到近1650華氏度(900攝氏度)，以釋放里面的氣體。通過觀察釋放出二氧化碳和氧氣的溫度，科學家們可以知道氣體來自哪種礦物，這類信息可以了解碳是如何在火星上循環(huán)的。各種研究表明，火星古老的大氣層(主要含有二氧化碳)可能比的地球大氣層要厚。其中大部分已經(jīng)消失到太空中，但也有一些可能儲存在火星表面的巖石中，特別是以碳酸鹽的形式儲存，碳酸鹽是由碳和氧組成的礦物。

在地球上，當空氣中的二氧化碳被海洋和其他水體吸收，然后礦化成巖石時，就會產(chǎn)生碳酸鹽?？茖W家們認為火星上也發(fā)生了同樣的過程，這可能有助于解釋火星部分大氣發(fā)生了什么。然而，火星任務還沒有在火星表面發(fā)現(xiàn)足夠的碳酸鹽來支持厚厚的大氣層。盡管如此，火星樣本分析確實檢測到的少數(shù)碳酸鹽，通過儲存在其中的碳和氧同位素揭示了一些關于火星氣候的有趣信息，同位素是具有不同質(zhì)量元素的不同版本。

由于不同的化學過程，從巖石形成到生物活性，以不同的比例使用這些同位素，巖石中重同位素與輕同位素比例為科學家提供了巖石形成的線索。在火星樣本分析發(fā)現(xiàn)的一些碳酸鹽中，科學家們注意到氧同位素比火星大氣中的氧同位素要輕。這表明，碳酸鹽并不是在很久以前簡單地由大氣中的二氧化碳吸收到湖泊中形成。如果是這樣的話，巖石中的氧同位素會比空氣中的氧同位素稍重一些。雖然碳酸鹽有可能在火星歷史上形成得非常早，當時的大氣成分與今天略有不同。

碳都到哪里去了？

但研究人員認為，碳酸鹽更有可能是在冰凍的湖泊中形成。在這種情況下，冰可能會吸收重氧同位素，并留下最輕的氧同位素，然后形成碳酸鹽。其他好奇號科學家也提出了證據(jù)，表明蓋爾隕石坑中可能存在被冰覆蓋的湖泊。火星上碳酸鹽豐度低令人費解，如果蓋爾隕石坑沒有太多這樣的礦物，也許早期火星大氣比預想的要薄，或者也許有其他東西在儲存丟失的大氣碳。

根據(jù)分析，一些碳可以被隔離在其他礦物中，比如草酸鹽，草酸鹽以不同于碳酸鹽的結(jié)構儲存碳和氧，其假設是基于火星樣本分析內(nèi)部一些樣品釋放二氧化碳的溫度（對于碳酸鹽來說太低，但對于草酸鹽來說恰到好處）以及與科學家在碳酸鹽中看到的不同的碳和氧同位素比率。草酸鹽是地球上植物產(chǎn)生最常見的有機礦物類型，但是草酸鹽也可以在沒有生物的情況下產(chǎn)生。

碳酸鹽分子模型

一種方法是通過大氣中的二氧化碳與地表礦物質(zhì)、水和陽光相互作用，這一過程被稱為非生物光合作用。這種化學物質(zhì)在地球上很難找到，因為地球上有豐富的生命，但研究團隊希望在實驗室里創(chuàng)造非生物光合作用，以找出它是否真的對在蓋爾隕石坑看到的碳化學有關。在地球上，非生物光合作用可能已經(jīng)為一些最早微觀生命形式中的光合作用鋪平了道路，這就是為什么在其他行星上發(fā)現(xiàn)光合作用會引起天體生物學家興趣的原因。

即使事實證明是非生物光合作用將大氣中的一些碳鎖定在蓋爾隕石坑巖石中，研究人員也想研究來自火星不同地區(qū)的土壤和塵埃，以了解在蓋爾隕石坑的結(jié)果，是否反映了一幅火星全球圖景。也許有一天會有機會這樣做，美國宇航局“毅力號”火星漫游車計劃在2020年7月至8月期間發(fā)射到火星，而且計劃在火星杰零隕石坑收集樣品，以便可能返回地球上的實驗室。

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博科園｜研究/來自：美國宇航局戈達德太空飛行中心

研究發(fā)表期刊《自然天文學》

DOI: 10.1038/s41550-019-0990-x

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