好奇號(hào)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！

【手機(jī)軟件：博科園】通過(guò)研究火星上的化學(xué)元素，科學(xué)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(gè)元素編織這個(gè)故事是一個(gè)艱苦的過(guò)程。但是科學(xué)家不是那種容易被嚇倒的人，火星上的軌道器和火星車(chē)已經(jīng)證實(shí)，由于包括干燥的河床、古老的海岸線(xiàn)和含鹽的表面化學(xué)等線(xiàn)索，表明這個(gè)火星曾經(jīng)有過(guò)液態(tài)水。

利用美國(guó)宇航局的好奇號(hào)火星車(chē)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了火星湖泊長(zhǎng)期存在的證據(jù)。還挖掘出了有機(jī)化合物，也就是生命的化學(xué)構(gòu)件。液態(tài)水和有機(jī)化合物的結(jié)合迫使科學(xué)家們繼續(xù)搜索火星，尋找過(guò)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(xué)家們對(duì)火星歷史的理解仍在展開(kāi)，有幾個(gè)主要問(wèn)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(rùn)，以滿(mǎn)足萌芽和培育生命所需的時(shí)間？

至于有機(jī)化合物：它們是生命的跡象，還是火星巖石與水和陽(yáng)光相互作用時(shí)發(fā)生的化學(xué)跡象？在新發(fā)表在《自然天文學(xué)》期刊上的研究中，科學(xué)家提供了一些見(jiàn)解，幫助回答這些問(wèn)題。這項(xiàng)多年的實(shí)驗(yàn)是在“好奇號(hào)”肚子里的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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(kāi)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(dāng)于康涅狄格州和羅德島總和，被選為好奇號(hào)火星車(chē)的著陸點(diǎn)，因?yàn)樗羞^(guò)去有水的跡象，包括可能有助于捕獲和保存古代有機(jī)分子的粘土礦物。事實(shí)上，在探索火山口中心一座名為夏普山(Mount Sharp)的山腳時(shí)，好奇號(hào)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(wàn)到數(shù)千萬(wàn)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(guò)去包括寒冷、結(jié)冰的條件。美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心的地球化學(xué)家希瑟·弗蘭茲說(shuō)：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(shí)間和方式仍然是一個(gè)謎。領(lǐng)導(dǎo)火星樣本分析研究的弗蘭茲指出：火星傾斜度和火山活動(dòng)量的變化等因素，可能會(huì)導(dǎo)致火星氣候隨著時(shí)間的推移在溫暖和寒冷之間交替。

火星巖石中的化學(xué)和礦物學(xué)變化支持了這一觀(guān)點(diǎn)，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(wú)論如何，到目前為止，“好奇號(hào)”火星車(chē)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(shí)驗(yàn)室從13個(gè)塵埃和巖石樣本中提取了二氧化碳和氧氣后，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了火星寒冷古代環(huán)境的證據(jù)，好奇號(hào)在五個(gè)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(gè)碳原子與兩個(gè)氧原子結(jié)合的分子，碳是神秘火星氣候的關(guān)鍵證人。事實(shí)上，這種簡(jiǎn)單而多才多藝的元素，在尋找其他地方的生命時(shí)就像水一樣至關(guān)重要。在地球上，碳在空氣、水和地表持續(xù)流動(dòng)，這是一個(gè)眾所周知依賴(lài)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(bào)，它們產(chǎn)生氧氣，人類(lèi)和大多數(shù)其他生命形式在這個(gè)過(guò)程中利用氧氣進(jìn)行呼吸。最終碳再次通過(guò)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(xué)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(diǎn)?；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(guò)去的30億年里，碳循環(huán)與地球有很大的不同。美國(guó)國(guó)家航空航天局戈達(dá)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(jìn)行，而且仍然很重要，因?yàn)樗粌H有助于揭示有關(guān)火星古代氣候的信息，這也向我們表明，火星是一顆充滿(mǎn)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(hào)將巖石和塵埃樣本送入火星樣本分析后，實(shí)驗(yàn)室將每個(gè)樣本加熱到近1650華氏度(900攝氏度)，以釋放里面的氣體。通過(guò)觀(guān)察釋放出二氧化碳和氧氣的溫度，科學(xué)家們可以知道氣體來(lái)自哪種礦物，這類(lèi)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(chǔ)存在火星表面的巖石中，特別是以碳酸鹽的形式儲(chǔ)存，碳酸鹽是由碳和氧組成的礦物。

在地球上，當(dāng)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(shí)，就會(huì)產(chǎn)生碳酸鹽?？茖W(xué)家們認(rèn)為火星上也發(fā)生了同樣的過(guò)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(wù)還沒(méi)有在火星表面發(fā)現(xiàn)足夠的碳酸鹽來(lái)支持厚厚的大氣層。盡管如此，火星樣本分析確實(shí)檢測(cè)到的少數(shù)碳酸鹽，通過(guò)儲(chǔ)存在其中的碳和氧同位素揭示了一些關(guān)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(xué)過(guò)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(xué)家提供了巖石形成的線(xiàn)索。在火星樣本分析發(fā)現(xiàn)的一些碳酸鹽中，科學(xué)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(jiǎn)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(huà)，巖石中的氧同位素會(huì)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(dāng)時(shí)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(rèn)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(huì)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(hào)科學(xué)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?；鹦巧咸妓猁}豐度低令人費(fèi)解，如果蓋爾隕石坑沒(méi)有太多這樣的礦物，也許早期火星大氣比預(yù)想的要薄，或者也許有其他東西在儲(chǔ)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(gòu)儲(chǔ)存碳和氧，其假設(shè)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(duì)于碳酸鹽來(lái)說(shuō)太低，但對(duì)于草酸鹽來(lái)說(shuō)恰到好處）以及與科學(xué)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(jiàn)的有機(jī)礦物類(lèi)型，但是草酸鹽也可以在沒(méi)有生物的情況下產(chǎn)生。

碳酸鹽分子模型

一種方法是通過(guò)大氣中的二氧化碳與地表礦物質(zhì)、水和陽(yáng)光相互作用，這一過(guò)程被稱(chēng)為非生物光合作用。這種化學(xué)物質(zhì)在地球上很難找到，因?yàn)榈厍蛏嫌胸S富的生命，但研究團(tuán)隊(duì)希望在實(shí)驗(yàn)室里創(chuàng)造非生物光合作用，以找出它是否真的對(duì)在蓋爾隕石坑看到的碳化學(xué)有關(guān)。在地球上，非生物光合作用可能已經(jīng)為一些最早微觀(guān)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(huì)引起天體生物學(xué)家興趣的原因。

即使事實(shí)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(lái)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(huì)有機(jī)會(huì)這樣做，美國(guó)宇航局“毅力號(hào)”火星漫游車(chē)計(jì)劃在2020年7月至8月期間發(fā)射到火星，而且計(jì)劃在火星杰零隕石坑收集樣品，以便可能返回地球上的實(shí)驗(yàn)室。

博科園｜研究/來(lái)自：美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心

研究發(fā)表期刊《自然天文學(xué)》

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