Высокие концентрации никеля в породах Марса указывают на возможные следы жизни: как это проверят?

В процессе формирования планет земной группы происходит разделение химических элементов по их массе. Когда молодая планета находится в расплавленном состоянии, наиболее тяжелые элементы — такие как железо, кобальт и никель — опускаются к центру, образуя плотное металлическое ядро. Более легкие элементы остаются на поверхности и формируют силикатную кору. Именно поэтому на поверхности Земли никель встречается редко: его средняя концентрация в коре составляет всего около шестидесяти частей на миллион. Большие скопления этого металла обычно связаны с падением метеоритов или выходом на поверхность глубинных пород.

Учитывая эти геологические законы, данные, которые передал марсоход Perseverance из кратера Езеро, привлекли особое внимание исследователей. В локации, известной как долина Неретва, аппаратура зафиксировала в осадочных породах концентрацию никеля на уровне 1,1 процента. Это самое высокое значение, когда-либо обнаруженное в коренных породах на поверхности Марса. Однако для науки важна не только сама концентрация металла, но и химический контекст. Никель был найден в непосредственной близости от сульфидов железа (соединений железа и серы) и органического углерода. В геологии и биологии такое сочетание химических элементов считается одним из главных условий, необходимых для зарождения и поддержания ранних форм жизни.

Древнее озеро и инструменты марсохода

Около четырех миллиардов лет назад климат на Марсе был иным: там существовала плотная атмосфера и жидкая вода. Долина Неретва представляет собой древнее речное русло, по которому вода поступала в озеро внутри кратера. Со временем вода замедляла свой ход, и мелкие частицы грунта, песка и ила оседали на дно. За миллионы лет эти донные отложения спрессовались и превратились в аргиллиты — плотные осадочные породы, которые сегодня исследует марсоход.

Для изучения химического состава этих древних камней инженеры NASA используют два основных прибора. Первый — спектрометр SuperCam, расположенный на мачте марсохода. Он направляет на выбранный камень мощный лазерный импульс. Лазер мгновенно испаряет микроскопический участок породы, превращая его в плазму — светящийся газ. Анализируя свет от этой вспышки, прибор определяет, из каких химических элементов состоит камень.

Второй прибор — PIXL, установленный на роботизированной руке марсохода. Это рентгеновский флуоресцентный спектрометр. Он облучает поверхность породы рентгеновскими лучами и фиксирует ответное излучение. Это позволяет не просто узнать состав камня, но и составить подробную карту распределения элементов с точностью до долей миллиметра.

Именно совместная работа этих приборов показала важную деталь: никель в марсианской породе распределен неравномерно. Он не смешан с основной массой глины, а сконцентрирован внутри мелких зерен сульфидов железа, а также в светлых прожилках сульфатов магния и кальция.

Как металл попадает в камни

Сульфиды железа в донных осадках не приносятся рекой в готовом виде. Они образуются прямо на дне озера, в толще ила, где нет доступа кислорода, но есть растворенная сера и железо.

Когда кристаллы сульфидов растут в воде, они захватывают из нее различные микроэлементы. Тот факт, что в марсианских сульфидах оказалось очень много никеля, означает, что вода в этом древнем озере была очень насыщена растворенным металлом.

Перед учеными встал вопрос об источнике этого никеля. Основных версий две. Первая предполагает химическое разрушение древних вулканических пород, которые находились вокруг озера. Дожди и грунтовые воды могли вымывать из них металл и уносить его в водоем. Однако химический состав местных пород делает эту версию спорной: в них слишком мало магния, который обычно сопутствует никелю в вулканических минералах.

Вторая версия связана с метеоритами. На ранних этапах истории Солнечной системы на Марс постоянно падали железно-никелевые метеориты. Если такой метеорит падал в озеро с бескислородной водой, он постепенно растворялся. Металлы переходили в воду, а затем оседали на дно, встраиваясь в структуру растущих кристаллов серы и железа.

Значение для ранней жизни

Для астробиологов обнаружение никеля в таких условиях является крайне важным сигналом. Жизнь на Земле зависит от множества микроэлементов, и для самых древних микроорганизмов никель был абсолютно необходим.

Первые живые организмы на нашей планете не использовали кислород для дыхания и не умели получать энергию от солнечного света. Они извлекали энергию из химических реакций. Чтобы эти реакции проходили внутри клетки быстро и эффективно, организмам требовались особые молекулы — ферменты. Центральным элементом в структуре многих таких древних ферментов выступает именно никель. Без него бактерии не могут перерабатывать органические вещества, производить метан или усваивать углерод.

Исследования истории Земли показывают, что около двух с половиной миллиардов лет назад, когда уровень растворенного никеля в земных океанах резко снизился, микроорганизмы, производящие метан, начали массово погибать. Это изменило состав атмосферы всей планеты.

Так что, находка в долине Неретва показывает, что миллиарды лет назад на Марсе существовали идеальные стартовые условия для биологической активности. В одном месте сошлись жидкая вода, отсутствие кислорода, соединения серы, углерод и легкодоступный никель. Это полный набор химических компонентов, который позволил бы примитивным клеткам получать энергию и строить свои структуры.

Проблема дистанционных доказательств

Несмотря на наличие всех необходимых химических ингредиентов, ученые не могут однозначно заявить об обнаружении следов марсианской жизни. Главная проблема заключается в том, что геологические процессы способны воспроизводить результаты биологической активности.

Молекулы, содержащие углерод (органика), могут образовываться без участия живых клеток. Например, при реакциях горячей воды с вулканическими породами глубоко под землей выделяется водород, который затем соединяется с углекислым газом, образуя сложные органические вещества. Точно так же кристаллы сульфидов с высоким содержанием никеля могут формироваться в осадочных породах исключительно по законам физики и химии, реагируя на изменения температуры и кислотности воды.

Приборы, установленные на борту марсохода Perseverance, достигли предела своих возможностей. Лазеры и рентгеновские лучи могут показать, из каких элементов состоит камень, но они не могут рассказать, как именно эти элементы соединились вместе — благодаря бактериям или благодаря обычным химическим реакциям среды.

Чтобы получить окончательный ответ, ученым необходимо изучить изотопный состав этих пород. Изотопы — это атомы одного и того же химического элемента, которые имеют разный вес. Известно, что живые организмы при переработке веществ всегда предпочитают использовать более легкие изотопы. Если в лаборатории выяснится, что углерод или сера в марсианских камнях состоят преимущественно из легких изотопов, это станет самым строгим доказательством существования жизни.

Провести такой анализ на другой планете невозможно, так как для этого требуются массивные стационарные приборы размером с целую комнату. Понимая это, инженеры миссии приказали марсоходу пробурить породу в долине Неретва. Извлеченный цилиндрический фрагмент аргиллита, получивший обозначение «Сапфировый каньон», был запечатан в стерильную титановую трубку и оставлен на поверхности Марса. Ответ на вопрос о том, действовали ли в кратере Езеро микроорганизмы или только химические законы природы, будет получен лишь в следующем десятилетии, когда планируемая космическая миссия Mars Sample Return заберет эти капсулы и доставит их в земные лаборатории.

Источник:Nature Communications