Vědci vymysleli nový plán na studium nejvzrušivějšího kamene na Marsu

Nejzajímavějším kamenem, který věda zná, je kus bahnitého kamene o velikosti školního stolu, který je v současné době přilepený na Marsu.

Skála vznikla z jemných vodou promytých sedimentů na dně dávno ztraceného jezera – asi před 3,5 miliardami let, kdy byl Mars teplejším a vlhčím světem – a našli ji v roce 2024 vědci pomocí roveru NASA Perseverance k prozkoumání toho, co je nyní známé jako kráter Jezero. Bahenní kámen, nazývaný Cheyava Falls, vynikal výzkumníkům, protože jeho povrch byl posetý podivné tečky a prstencové skvrnykteré označovali jako maková semena a leopardí skvrny. Zjistili také, že je plná organické hmoty – chemických sloučenin uhlíku, základního kamene biologie, jak ji známe.

Horniny bohaté na organické látky přímo zde na Zemi někdy obsahují podobné prvky, které bývají vytvářeny mikrobiálním životem. A po pečlivých následných studiích s roverem tým Perseverance začátkem tohoto roku oznámil, že starověký mimozemšťan mikroby moc být nejlepším vysvětlením pro skvrny a semena marťanských skal.

O podpoře vědecké žurnalistiky

Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceňované žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a nápadech, které formují náš dnešní svět.

Aby astrobiologové s jistotou věděli, zda jsou vodopády Cheyava Falls důkazem minulého života na Marsu – nebo místo toho jen podivným vtipem neživé organické chemie – chtějí přivézt část horniny zpět na Zemi k bližšímu studiu. Ale mezinárodní program vedený NASA k tomu, známý jako Mars Sample Return (MSR) je v politickém limbusužují narůstající náklady a ochabující federální podpora. I když MSR půjde podle plánu, těžce vybojované vzorky vodopádů Cheyava Falls a dalších marťanských materiálů Perseverance nedorazí dříve než v roce 2040.

Kádr vědců organizovaný NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) se nespokojí s tím, že bude nečinně sedět, prosazuje smělý plán B. Namísto čekání, až kusy Cheyava Falls dosáhnou Zemi, se výzkumníci pokusí pro sebe vypěstovat nejzáhadnější prvky skály v pečlivě upravených nebo vyrobených bahenních kamenech. Vystavením těchto simulakra – z nichž některá ponesou pozemské mikroby, zatímco jiná budou pomalu pečená a sterilizovaná – laboratorním podmínkám napodobujícím to, co je známo o raném Marsu, tým doufá, že zjistí, jak vodopády Cheyava skutečně získaly své skvrny.

„Uhodněte co nejlépe, co bylo v bahně. Uhodněte co nejlépe, jaká je povaha organické hmoty. Smíchejte je dohromady, nechte to všechno usadit na dně a sledujte, co se stane,“ říká Joel Hurowitzgeovědec z univerzity Stony Brook a člen vědeckého týmu Perseverance, který je s prací obeznámen.

Tento přístup nebude schopen definitivně prokázat nebo vyvrátit existenci minulého života na Marsu. Ale zmapováním všech myslitelných způsobů, jak vyrobit semena a skvrny v laboratoři, vědci mohou určit, zda je pravděpodobnější, že rysy zjevné v Cheyava Falls byly vytvořeny pomocí mikrobů nebo bez nich.

Vaření máku a leopardích skvrn

Vesmír za mnohé vděčí chování elektronů. Ať už mluvíme o explozivní smrti hvězd, vzniku planet, počasí nebo zvířátkách, která pod ním žijí, elektrony často řídí chemii, díky níž se věci dějí.

Jeden zvláště důležitý typ chemického dramatu je známý jako oxidačně-redukční nebo redoxní reakce. Oxidace zahrnuje ztrátu elektronů, zatímco redukce je zisk elektronů. Redoxní reakce probíhají všude, neustále, ve všech druzích prostředí – a jsou pro ně zásadní normální fungování živých věcíumožňující organismům získávat energii, udržovat základní buněčné operace a dokonce se chránit před vnějšími nebezpečími.

Nikdo nečekal, že na povrchu Marsu uvidí zkamenělá stvoření nebo dokonce nezbytně zachované mikrobiální mrtvoly. Ale nalezení stopových důkazů o biologicky řízených redoxních reakcích bylo mnohem věrohodnější a výchoz Cheyava Falls – a jeho širší okolí – je téměř dokonalým místem k pohledu.

„Zaznamenávají staré, obyvatelné prostředí,“ říká Sanjeev Guptapozemský vědec z Imperial College London a člen týmu roverů Perseverance. V rámci toho Perseverance nasbírala spoustu organického materiálu. Viděl také drobné uzliny a větší, halo podobné rysy: maková semena a leopardí skvrny. Jak maková semínka, tak leopardí skvrny jsou graffiti, která po sobě zanechala redoxní pohyb elektronů.

Semena máku obsahují redukovanou formu železa Fe(II), která se nachází v minerálu jménem vivianit (viděno jako černé skvrny). Fe(II) vzniká, když již existující Fe(III) získá elektron. Fe(III), oxidovaná verze tohoto železa, byla nalezena v původním bahně Cheyava Falls.

Leopardí skvrny mají také Fe(II) ve dvou různých minerálních formách: vivianit (který se jeví jako tmavé okraje) a greigit (který je uvnitř skvrn). Skvrny také obsahují sulfidy, redukovanou formu již existujících sulfátů, která se také nachází v bahně Cheyava Falls; sulfidy jsou také součástí minerálu greigitu.

Semena a skvrny jsou v podstatě „fosilní chemickou reakcí,“ říká Gupta. A jakékoli experimenty na Zemi, které doufají, že je znovu vytvoří, budou mít jednu ze dvou možných cest: jednu, která rozmístí mikroby, a druhou, která ne.

Nejprve se podívejme na nebiologické možnosti. Jedním ze způsobů, jak přeměnit Fe(III) a sírany na Fe(II) a sulfidy, je zahřát složky nalezené v těchto bahnech a počkat. „To je reakce, která se může stát i bez života. Ale je neuvěřitelně pomalá,“ říká Michael Ticegeobiolog na Texas A&M College of Arts and Sciences a člen vědeckého týmu Perseverance. A tím pomalu myslí potenciálně miliony let.

Dobrou analogií je cukr a kyslík. Ti dva mohou reagovat na uvolnění bohaté chemické energie – ale trvalé, silné teplo je to, co to skutečně způsobuje. Cukr moc nereaguje s kyslíkem, když sedí na vašem kuchyňském stole. Podobně byste nezískali vlastnosti vodopádů Cheyava, pokud byste původní bahno nepekli při vysokých teplotách – 150 stupňů Celsia nebo více. Rover Perseverance NASA však neodhalil žádné důkazy o takovém vaření pro vodopády Cheyava a zdá se, že semena a skvrny byly vytvořeny krátce poté, co bylo bahno uloženo.

Nyní se podíváme na mikrobiální cestu. Pokud by se tento bahenní kámen místo toho vytvořil ze dna jezera na Zemi, dalo by se očekávat, že převládající mikroby „spotřebovávají“ organickou hmotu a efektivně získávají energii z redukce Fe(III) a síranů. To by se stalo relativně rychle, protože pozemské mikroby nasadily silné enzymy, které zmírňují energetické prahy reakce; není potřeba žádné vysokoteplotní vaření. A „je to přesně tam, kde byste očekávali, že žijí mikrobi,“ říká Gupta.

Zašeptejte: na základě současných důkazů se zdá pravděpodobnější, že tato semena a skvrny vytvořili mikrobi než geologická aktivita. Problém je však v tom, že tyto dvě chemické cesty „začínají stejnými reaktanty a končí stejnými produkty,“ říká Morgan Cablevědecký pracovník ve skupině Laboratory Studies v JPL a člen vědeckého týmu Perseverance. „Reakce je v podstatě stejná. V tom to začíná být složitější.“

Laboratorní alchymie

Díky orbitálnímu průzkumu z kosmických lodí a pozemnímu pravdictví z roverů už máme docela dobrou představu o tom, jaký byl kráter Jezero ve svých halcyonových dnech před eony. Na marťanské poměry to byla vodní říše divů, s vodou protékající kanály, aby vytvořila a napájela kráterové jezero, hromadící rozlehlé delty zanesených sedimentů, to vše pod teplejší a silnější oblohou bohatou na oxid uhličitý. Je pozoruhodné, že vědci mohou znovu vytvořit části této minulé říše ve svých nejmodernějších laboratořích.

Testovací komory mohou být udržovány při správných teplotách pro simulaci marťanských podmínek a mohou být naplněny nesčetnými směsmi plynů pro reprodukci atmosférických tlaků a složení, které na planetě převládaly v její hluboké minulosti. Syntetické mudstones vyrobené na zakázku v laboratořích nebo zakoupené předem mohou obsahovat různé receptury založené na měřeních Perseverance s kolísajícím množstvím kyslíku, organické hmoty, kyselosti, slanosti a tak dále.

Postupem času, jak se tato simulakra rozvíjejí v různých podmínkách prostředí, mohou bdělí vědci vidět, co se děje – a podle toho se přizpůsobit, aby prozkoumali skutečně rozsáhlou krajinu možností. Ať už je to dobré nebo špatné, „škála experimentů, se kterými se lze zapojit, je nekonečná,“ říká Hurowitz.

Na Zemi se život slavně dostane všude. Teplo může zajistit sterilizaci určitých bahnitých kamenů, říká Cable, podobně jako lze vařit vodu, aby se deaktivovali jakékoli mikroskopické štěnice. Ale nemůžete jen flambovat bahenní kameny, protože to by také změnilo jejich výchozí chemii podobnou Marsu.

Šetrnější, osvědčená metoda hubení mikroorganismů je známá jako mikrobiální redukce suchým teplem neboli DHMR. „Takto sterilizujeme kosmické lodě,“ říká Cable. Věci by se touto metodou příliš nerozpálily; místo toho by se bahenní kameny postupně ohřívaly v suchých podmínkách po stovky hodin. „To obvykle zabíjí nebo deaktivuje většinu forem života, včetně bakteriálních spor,“ říká. Aby byli v bezpečí, experimentátoři používající tuto techniku ​​mohou nepřetržitě testovat údajně sterilní půdu, aby se ujistili, že v nich nezůstaly žádné mikroby.

U záměrně biologických experimentů má tým JPL na výběr. Vzorce reakcí zprostředkovaných mikroby připomínající semena máku a leopardí skvrny lze nalézt po celé Zemi, kde jsou často stále spojovány s různými mikrobiálními ekosystémy, které je vytvořily. „Našli byste je pod vodou v bahně,“ říká Hurowitz – v současnosti i ve vzdálené minulosti, od čerstvě uložených mořských sedimentů u břehů Tchaj-wanu až po extrémně staré skály ve Skotsku. Ať už jde o jakýkoli pozemský zdroj, tým prostě potřebuje naočkovat některé své bahenní kameny podobné Marsu mikroby, které jsou schopny se dravě hltat na Fe(III) a síranech a vyvolat populační boom.

„Začneme tam a uvidíme, kam nás tyto reakce zavedou,“ říká Cable. „Půjdeme do tolika různých králičích nor.“ Kromě toho, že se tým snaží přivolat semena máku a leopardí skvrny v čerstvých horninách, chce také vědět, jak jim zabránit v růstu.

Redukce Fe(III) produkuje více energie než redukce síranů. Ale pokud byli zapojeni mikrobi, přešli z redukce Fe(III) (vytváření minerálu vivianit) na redukci síranů (výroba minerálu greigit). Není jasné proč, ale je to rozhodně zvláštní – vědci by očekávali, že hladoví brouci budou preferovat energeticky bohatší stravu, tak proč by nechali Fe(III) „bonbóny“ nedotčené, aby místo toho žvýkali sulfátovou „brokolici“? Tyto experimenty by mohly nabídnout odpovědi a omezit typy mikrobů – a starověkých chemických směsí – které mohly být přítomny na Marsu před 3,5 miliardami let.

Vědci z Perseverance očekávají, že jejich práce nakonec přinese mák a leopardí skvrny jak s pomocí života, tak bez něj. Ale podmínky prostředí vedoucí k oběma budou pravděpodobně radikálně odlišné. Poté se vědci mohou vrátit k Perseverance – stále se pohybují kolem jezera Jezero – a mohou se pokusit vyčenichat další skály v okolí, které se geochemicky blíží všem bahenním kamenům, které přemluvili, aby vyrašily výmluvné skvrny, ať už s biologií – nebo bez ní.

V ideálním případě se rover setká s dalším vzrušujícím místem – a odhalí další vzrušující náznaky starověkého marťanského života. „Nechcete jen jeden řádek důkazů. Chcete něco, co je na něm zcela nezávislé a ukazuje stejným směrem,“ říká Tice.

Ale samotné vodopády Cheyava jsou pro vědecký tým Perseverance vzrušující. Najít to bylo nejjednodušší. „Teď začíná tvrdá práce,“ říká Hurowitz.