Koolstof is van cruciaal belang voor het leven, voor zover we weten. Dus elke keer dat we ergens zoals Mars een sterke koolstofsignatuur detecteren, kan dit wijzen op biologische activiteit.
Wijst een sterk koolstofsignaal in gesteenten op Mars op een bepaald soort biologische processen?
Elk sterk koolstofsignaal is intrigerend als je op jacht bent naar leven. Het is een gemeenschappelijk element in alle vormen van leven die we 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 koolstofsignaturen.
Koolstofatomen hebben altijd zes protonen, maar het aantal neutronen kan variëren. Koolstofatomen met verschillende aantallen neutronen worden isotopen genoemd. Drie koolstofisotopen komen van nature voor: C12 en C13, die stabiel zijn, en C14, een radionuclide. C12 heeft zes neutronen, C13 heeft zeven neutronen en C14 heeft 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 neutronen minder dan C13, wat betekent dat wanneer het zich bindt met andere atomen tot moleculen, het minder verbindingen maakt dan C13 in dezelfde situatie. Het leven is in wezen lui en het zal altijd de gemakkelijkste manier zoeken om dingen te doen. C12 is gemakkelijker te gebruiken omdat het minder bindingen vormt dan C13. Het is gemakkelijker te bereiken dan C13, en het leven is nooit moeilijk als er een gemakkelijkere manier beschikbaar is.
De Curiosity-rover is hard aan het werk in de Gale-krater van Mars, op zoek naar tekenen van leven. Het boort in rots, extraheert een verpulverd monster en plaatst het in zijn scheikundelaboratorium aan boord. Het lab van Curiosity heet SAM, wat staat voor: Monsteranalyse bij Mars. Binnen SAM gebruikt de rover pyrolyse om het monster te bakken en de koolstof in het gesteente om te zetten in methaan. De pyrolyse gebeurt in een stroom van inert helium om verontreiniging in het proces te voorkomen. Dan meet het het gas met een instrument genaamd de Afstembare laserspectrometer om erachter te komen welke koolstofisotopen er in het methaan zitten.
De tool Sample Analysis at Mars heet SAM. SAM bestaat uit drie verschillende instrumenten die organische chemicaliën en lichte elementen zoeken en meten, die belangrijke ingrediënten zijn die mogelijk met het leven worden geassocieerd. Krediet: NASA/JPL-Caltech
Het team achter Curiosity’s SAM bekeek 24 rotsmonsters met dit proces en ontdekte onlangs iets opmerkelijks. Zes van de monsters vertoonden verhoogde verhoudingen van C12 tot C13. Vergeleken met een op aarde gebaseerde referentiestandaard voor C12/C13-verhoudingen, bevatten de monsters van deze zes locaties meer dan 70 delen per duizend meer 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 of the National Academy of Sciences (PNAS) presenteerde de bevindingen. De titel is “Verarmde koolstofisotoopsamenstellingen waargenomen bij Gale-krater, Mars.De hoofdauteur is Christopher House, een Curiosity-wetenschapper aan de Penn State University.
Het is een opwindende bevinding, en als deze resultaten op aarde zouden worden verkregen, zouden ze aangeven dat een biologisch proces de overvloed aan C12 heeft geproduceerd.
Op de oude aarde produceerden oppervlaktebacteriën methaan als bijproduct. Ze heten methanogenen, en het zijn prokaryoten van het Archaea-domein. Methanogenen zijn vandaag de dag nog steeds aanwezig op aarde, in zuurstofarme wetlands, in het spijsverteringskanaal van herkauwers en in extreme omgevingen zoals warmwaterbronnen.
Deze bacteriën produceren methaan dat de atmosfeer binnenkomt, in wisselwerking met ultraviolet licht. Die interacties produceren complexere moleculen die op het aardoppervlak regenen. Ze worden bewaard in aardse gesteenten, samen met hun koolstofsignaturen. Hetzelfde zou op Mars kunnen zijn gebeurd, en als dat zo was, zou het de bevindingen van Curiosity kunnen verklaren.
Maar dit is maart. Als de geschiedenis van het zoeken naar leven op Mars ons iets vertelt, is het niet om op de zaken vooruit te lopen.
“We vinden dingen op Mars die verleidelijk interessant zijn, maar we zouden echt meer bewijs nodig hebben om te zeggen dat we leven hebben geïdentificeerd”, zegt Paul Mahaffy, voormalig hoofdonderzoeker van Curiosity’s Sample Analysis in het Mars-lab. “Dus we kijken naar wat anders de koolstofsignatuur zou kunnen hebben veroorzaakt die we zien, zo niet het leven.”
Curiosity nam dit 360-graden panorama op 9 augustus 2018 op Vera Rubin Ridge. Credits: NASA/JPL-Caltech/MSSS
In hun paper schrijven de auteurs: “Er zijn meerdere plausibele verklaringen voor de abnormaal uitgeputte 13C waargenomen in geëvolueerd methaan, maar geen enkele verklaring kan worden aanvaard zonder verder onderzoek.”
Een van de moeilijkheden bij het begrijpen van koolstofsignaturen zoals deze is onze zogenaamde aardse vooringenomenheid. Het meeste van wat wetenschappers weten over atmosferische chemie en aanverwante zaken is gebaseerd op de aarde. Dus als het gaat om deze nieuw ontdekte koolstofsignatuur op Mars, kunnen wetenschappers het een uitdaging 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.
“Het moeilijkste is om de aarde los te laten en die vooringenomenheid die we hebben los te laten en echt te proberen in de fundamenten van de scheikunde, natuurkunde en omgevingsprocessen op Mars te komen”, zei Goddard-astrobioloog Jennifer L. Eigenbrode, die deelnam aan de koolstof studie. Eerder leidde Eigenbrode een internationaal team van Curiosity-wetenschappers bij de detectie van talloze organische moleculen – moleculen die koolstof bevatten – op het oppervlak van Mars.
“We moeten onze geest openen en buiten de kaders denken,” zei Eigenbrode, “en dat is wat deze krant doet.”
De onderzoekers wijzen in hun paper op 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. Dat is een zeldzame gebeurtenis, maar het gebeurt ongeveer eens in de 100 miljoen jaar, dus wetenschappers kunnen het niet negeren. Moleculaire wolken zijn voornamelijk moleculaire waterstof, maar één kan rijk zijn aan het type lichtere koolstof dat is gedetecteerd door Curiosity in Gale Crater. De wolk zou ervoor hebben gezorgd dat Mars is afgekoeld, waardoor in dit scenario ijstijd is ontstaan. De afkoeling en ijstijd zouden hebben voorkomen dat de lichtere koolstof in de moleculaire wolken zich zou vermengen met de andere koolstof van Mars, waardoor afzettingen van verhoogde C12 zouden ontstaan. Het artikel stelt dat “Gletsjersmelten tijdens de ijstijd en ijsterugtrekking daarna de interstellaire stofdeeltjes op het gletsjergeomorfologische oppervlak zouden moeten achterlaten.”
De hypothese klopt aangezien Curiosity enkele van de verhoogde C12-niveaus op de toppen van bergkammen vond – zoals de top van Vera Rubin Ridge – en andere hoge punten in Gale Crater. De monsters zijn verzameld uit “… een verscheidenheid aan lithologieën (moddersteen, zand en zandsteen) en zijn tijdelijk verspreid over de missies tot nu toe”, stelt de krant. Toch is de moleculaire wolkenhypothese een onwaarschijnlijke reeks gebeurtenissen.
NASA’s Curiosity-rover hief zijn robotarm op met de boor naar de hemel gericht tijdens het verkennen van Vera Rubin Ridge aan de voet van Mount Sharp in Gale Crater – op de achtergrond door een verre kraterrand. Dit Navcam-cameramozaïek is genaaid uit onbewerkte afbeeldingen die zijn gemaakt op Sol 1833, 2 oktober 2017, en ingekleurd. Krediet: NASA/JPL/Ken Kremer/kenkremer.com/Marco Di Lorenzo.
De andere niet-biologische hypothese betreft ultraviolet licht. De atmosfeer van Mars bestaat voor meer dan 95% uit koolstofdioxide, en in dit scenario zou UV-licht een wisselwerking hebben gehad met koolstofdioxidegas in de atmosfeer van Mars en nieuwe koolstofbevattende moleculen produceren. De moleculen zouden op het oppervlak van Mars zijn neergedaald en daar een deel van de rots zijn geworden. Deze hypothese is vergelijkbaar met hoe methanogenen indirect C12 op aarde produceren, maar is volledig abiotisch.
“Alle drie de verklaringen passen bij de gegevens”, zegt hoofdauteur Christopher House. “We hebben gewoon meer gegevens nodig om ze in of uit te sluiten.”
Dit cijfer uit het onderzoek toont de drie hypothesen die de koolstofsignatuur zouden kunnen verklaren. Het blauw toont biologisch geproduceerd methaan uit het binnenste van Mars, waardoor na fotolyse de afzetting van 13C-verarmd organisch materiaal ontstaat. De sinaasappel toont fotochemische reacties via UV-licht die kunnen resulteren in verschillende atmosferische producten, waarvan sommige zouden worden afgezet als organisch materiaal met gemakkelijk te verbreken chemische bindingen. Het grijs toont de moleculaire wolkenhypothese. Krediet: House et al. 2022.
“Op aarde zijn processen die het koolstofsignaal produceren dat we op Mars detecteren biologisch,” voegde House eraan toe. “We moeten begrijpen of dezelfde verklaring voor Mars werkt of dat er andere verklaringen zijn omdat Mars heel anders is.”
Bijna de helft van de Curiosity-monsters had onverwacht verhoogde niveaus van C12. Ze zijn niet alleen hoger dan de verhouding van de aarde; ze zijn hoger dan 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 hebben oude, goed bewaarde oppervlakken.
Zoals Paul Mahaffy zei, zijn de bevindingen “verleidelijk interessant”. Maar wetenschappers leren nog steeds over de koolstofcyclus van Mars, en er is veel waar we nog steeds geen weet van hebben. Het is verleidelijk om aannames te doen over de koolstofcyclus van Mars op basis van de koolstofcyclus van de aarde. Maar koolstof kan door Mars fietsen op manieren die we nog niet eens hebben geraden. Of deze koolstofsignatuur nu wel of niet een signaal voor het leven is of niet, het 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 leven in die cyclus zou kunnen passen”, zegt Andrew Steele, een wetenschapper van Curiosity aan het Carnegie Institution for Science in Washington, DC. “We hebben dat echt met succes gedaan op aarde , maar we zijn net begonnen die cyclus voor Mars te definiëren.”
Maar het is niet eenvoudig om conclusies te trekken over Mars op basis van de koolstofcyclus van de aarde. Steele maakte dat duidelijk toen hij zei: “Er is een enorm deel van de koolstofcyclus op aarde waar leven bij betrokken is, en vanwege het leven is er een deel van de koolstofcyclus op aarde dat we niet kunnen begrijpen, want overal waar we kijken, is er leven.”
NASA’s Perseverance-rover zoekt naar tekenen van oud leven op Mars in de Jezero-krater. Resultaten van Curiosity kunnen de steekproefactiviteiten van Perseverance informeren. Krediet: NASA/JPL-Caltech/MSSS
Curiosity werkt nog steeds op Mars en zal dat nog wel even doen. De betekenis van deze monsters, samen met een beter begrip van de koolstofcyclus van Mars, ligt in het verschiet. Curiosity zal meer gesteente bemonsteren om de koolstofisotoopconcentraties te meten. Het zal stenen van andere goed bewaarde oude oppervlakken bemonsteren om te zien of de resultaten vergelijkbaar zijn met deze. In het ideale geval zou het een andere methaanpluim tegenkomen en het bemonsteren, maar die gebeurtenissen zijn onvoorspelbaar en er is geen manier om je erop voor te bereiden.
Hoe dan ook, deze resultaten zullen helpen bij het verzamelen van monsters van Perseverance bij Jezero Crater. Doorzettingsvermogen kan soortgelijke koolstofsignalen bevestigen en zelfs bepalen of ze biologisch zijn of niet.
Perseverance verzamelt ook monsters voor terugkeer naar de aarde. Wetenschappers zullen die monsters effectiever bestuderen dan het laboratorium aan boord van de rover kan, dus wie weet wat we zullen leren.
Het oude leven op Mars is een verleidelijk vooruitzicht, maar voorlopig is het in ieder geval onzeker.
Oorspronkelijk gepost op Universum vandaag.
Zie voor meer informatie over dit onderzoek:
Referentie: “Verarmde koolstofisotoopsamenstellingen waargenomen bij Gale-krater, Mars” door Christopher H. House, Gregory M. Wong, Christopher R. Webster, Gregory J. Flesch, Heather B. Franz, Jennifer C. Stern, Alex Pavlov, Sushil K Atreya, Jennifer L. Eigenbrode, Alexis Gilbert, Amy E. Hofmann, Maëva Millan, Andrew Steele, Daniel P. Glavin, Charles A. Malespin en Paul R. Mahaffy, 17 januari 2022, Proceedings van de National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2115651119
“Reisliefhebber. Onruststoker. Popcultuurfanaat. Kan niet typen met bokshandschoenen aan.”