大氣中有機物的來源表明，火星表面可能含有比先前預期更多的有機化合物。圖片來源:東京工業大學

盡管到目前爲止，火星呈現出一片貧瘠、塵土飛揚、沒有生命迹象的景觀，但它的三角洲、湖床和河谷等地質特征強烈表明，過去火星表面曾經有大量的水流動。爲了探索這種可能性，科學家們檢查了保存在這些地層附近的沉積物。這些沉積物的成分提供了早期環境條件的線索，隨著時間的推移塑造了地球的過程，甚至是過去生命的潛在迹象。

在其中一項分析中，好奇號火星車從蓋爾環形山收集的沉積物顯示出有機物。蓋爾環形山被認爲是一個大約38億年前由小行星撞擊形成的古老湖泊。然而，與地球上發現的有機物相比，這種有機物的碳-13同位素(13C)的含量明顯低于碳-12同位素(12C)，這表明火星上的有機物形成過程不同。

現在，2024年5月9日發表在《自然地球科學》雜志上的一項研究闡明了這種差異。由東京工業大學的上野雄一郎教授和哥本哈根大學的馬修·約翰遜教授領導的一個研究小組發現，大氣中二氧化碳(CO2)的光解作用爲一氧化碳(CO)，隨後的還原導致有機物質中的13C含量減少。

“在測量13C和12C之間的穩定同位素比率時，火星有機物的13C豐度爲0.92%至0.99%。與地球的沉積有機質(約1.04%)和大氣二氧化碳(約1.07%)相比，這是極低的，兩者都是生物殘留物，與隕石中的有機質(約1.05%)不相似，”上野解釋說。

早期火星的大氣富含二氧化碳，其中含有13C和12C同位素。研究人員在實驗室實驗中模擬了火星大氣成分和溫度的不同條件。他們發現，當12CO2暴露在太陽紫外線(UV)光下時，它優先吸收紫外線輻射，導致其分解成13C中耗盡的CO，留下13C中富集的CO2。

在火星和地球的高層大氣中也觀察到這種同位素分餾(同位素分離)，在那裏，來自太陽的紫外線照射導致CO2分解成CO, 13C含量減少。在火星的還原性大氣中，CO轉化爲簡單的有機化合物，如甲醛和羧酸。

在火星早期，表面溫度接近水的冰點，不超過300 K(27°C)，這些化合物可能溶解在水中並沉澱在沉積物中。

通過模型計算，研究人員發現，在CO2與CO比爲90:10的大氣中，CO2轉化爲CO的20%將導致沉積有機質的δ13CVPDB值爲-135‰。剩余CO2在13C中富集，δ13CVPDB值爲+20‰。這些數值與“好奇號”火星車分析的沉積物和從火星隕石中估計的結果非常吻合。這一發現表明，早期火星上有機物質形成的主要來源是大氣過程，而不是生物過程。

“如果這項研究的估計是正確的，那麽火星沉積物中可能存在意想不到的有機物質。這表明，未來的火星探索可能會發現大量的有機物質，”上野說。