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

В ходе формирования планет земного типа происходит закономерное распределение химических элементов в зависимости от их массы. Пока молодая планета пребывает в расплавленном состоянии, самые тяжелые элементы, включая железо, кобальт и никель, под действием гравитации опускаются к центру, формируя плотное металлическое ядро. Более легкие элементы, напротив, остаются ближе к поверхности, создавая силикатную кору. По этой причине никель является относительно редким элементом на поверхности Земли: его среднее содержание в земной коре не превышает примерно шестидесяти частей на миллион. Крупные месторождения этого металла, как правило, связаны либо с падением метеоритов, либо с тектоническими процессами, выносящими на поверхность глубинные породы.

Именно эти фундаментальные геологические принципы делают данные, переданные марсоходом Perseverance из кратера Езеро, столь значимыми для научного сообщества. В районе, известном как долина Неретва, научные приборы аппарата зарегистрировали в осадочных породах концентрацию никеля, достигающую 1,1 процента. Это рекордно высокий показатель, когда-либо зафиксированный в коренных породах на поверхности Красной планеты. Однако для исследователей важна не только сама величина концентрации, но и химическое окружение металла. Никель был обнаружен в непосредственной близости от сульфидов железа (соединений серы и железа) и органического углерода. В геологии и биологии подобное сочетание химических элементов считается одним из ключевых условий, необходимых для возникновения и поддержания примитивных форм жизни.

Древний водоем и научная аппаратура марсохода

Примерно четыре миллиарда лет назад климат на Марсе был совершенно иным: планета обладала плотной атмосферой, а на ее поверхности существовала жидкая вода. Долина Неретва представляет собой древнее русло реки, которая когда-то несла воду в озеро, располагавшееся внутри кратера. Со временем скорость течения воды замедлялась, и мельчайшие частицы грунта, песка и ила осаждались на дно. На протяжении миллионов лет эти донные отложения уплотнялись и превращались в аргиллиты — твердые осадочные породы, которые сейчас изучает марсоход.

Для анализа химического состава этих древних камней специалисты NASA используют два основных инструмента. Первый — спектрометр SuperCam, установленный на мачте ровера. Он направляет на выбранный образец породы мощный лазерный импульс. Лазер мгновенно испаряет микроскопический участок камня, превращая его в плазму — светящийся ионизированный газ. Изучая спектр излучения этой вспышки, прибор с высокой точностью определяет элементный состав исследуемого материала.

Второй инструмент — PIXL, размещенный на роботизированной руке марсохода. Это рентгеновский флуоресцентный спектрометр. Он облучает поверхность породы рентгеновскими лучами и детектирует вторичное излучение. Этот метод позволяет не только выяснить состав образца, но и построить детальную карту распределения химических элементов с разрешением до долей миллиметра.

Совместная работа этих двух приборов выявила важную особенность: никель в марсианской породе распределен неоднородно. Он не рассеян в основной массе глины, а сконцентрирован внутри мелких зерен сульфидов железа, а также в светлых прожилках, состоящих из сульфатов магния и кальция.

Происхождение металла в осадочных породах

Сульфиды железа в донных отложениях не приносятся рекой в готовом виде. Они формируются непосредственно на дне озера, в толще бескислородного ила, где присутствуют растворенные сера и железо.

В процессе роста кристаллов сульфидов в водной среде они активно захватывают из нее различные микроэлементы. Тот факт, что в марсианских сульфидах обнаружена высокая доля никеля, указывает на то, что вода в этом древнем озере была чрезвычайно обогащена растворенными соединениями этого металла.

Перед учеными возник вопрос о происхождении этого никеля. Существует две основные гипотезы. Первая предполагает химическое выветривание древних вулканических пород, окружавших озеро. Атмосферные осадки и грунтовые воды могли вымывать из них металл и транспортировать его в водоем. Однако химический состав местных пород ставит эту версию под сомнение: в них наблюдается дефицит магния, который в вулканических минералах обычно сопровождает никель.

Вторая гипотеза связана с метеоритной бомбардировкой. На ранних этапах эволюции Солнечной системы на поверхность Марса часто падали железо-никелевые метеориты. Если такой метеорит оказывался в бескислородном озере, он начинал медленно растворяться. Высвобождаемые металлы переходили в воду, а затем осаждались на дно, включаясь в структуру формирующихся кристаллов сульфидов железа.

Значение открытия для поисков ранней жизни

Для астробиологов обнаружение никеля в подобных условиях представляет собой крайне важный сигнал. Жизнь на Земле зависит от множества микроэлементов, и для древнейших микроорганизмов никель был абсолютно необходим.

Первые живые организмы на нашей планете не использовали кислород для дыхания и не были способны к фотосинтезу. Они получали энергию из химических реакций. Чтобы эти реакции протекали внутри клетки с достаточной скоростью и эффективностью, организмам требовались специальные каталитические молекулы — ферменты. Ключевым структурным элементом многих таких древних ферментов является именно никель. Без него примитивные бактерии не могли бы перерабатывать органические вещества, производить метан или усваивать углерод.

Исследования истории Земли демонстрируют, что около двух с половиной миллиардов лет назад, когда концентрация растворенного никеля в океанах резко упала, метаногенные микроорганизмы начали массово вымирать. Это событие привело к глобальным изменениям в составе атмосферы всей планеты.

Таким образом, находка в долине Неретва свидетельствует о том, что миллиарды лет назад на Марсе сложились идеальные стартовые условия для потенциальной биологической активности. В одном месте сошлись несколько критически важных факторов: жидкая вода, бескислородная среда, соединения серы, органический углерод и легкодоступный никель. Это полный набор химических компонентов, который мог бы позволить примитивным клеточным формам получать энергию и строить свои структуры.

Проблема дистанционного подтверждения биосигнатур

Несмотря на наличие всех необходимых химических ингредиентов, ученые не могут с уверенностью заявить об обнаружении следов марсианской жизни. Основная сложность заключается в том, что абиогенные геологические процессы способны создавать результаты, неотличимые от продуктов биологической активности.

Молекулы органического углерода могут формироваться без участия живых организмов. К примеру, в реакциях горячей воды с вулканическими породами на большой глубине выделяется водород, который, взаимодействуя с углекислым газом, образует сложные органические соединения. Аналогичным образом, кристаллы сульфидов с высоким содержанием никеля могут возникать в осадочных породах исключительно под влиянием физико-химических законов, реагируя на изменения температуры и кислотности водной среды.

Приборы, установленные на борту марсохода Perseverance, достигли предела своих диагностических возможностей. Лазерная и рентгеновская спектроскопия могут показать элементный состав породы, но они не в состоянии определить, как именно эти элементы соединились вместе — в результате деятельности микроорганизмов или в ходе обычных химических реакций.

Чтобы получить окончательный ответ, ученым необходимо проанализировать изотопный состав этих пород. Изотопы — это разновидности атомов одного химического элемента, имеющие разную массу. Известно, что живые организмы в процессе метаболизма избирательно используют более легкие изотопы. Если в условиях земной лаборатории выяснится, что углерод или сера в марсианских образцах обогащены легкими изотопами, это станет самым убедительным доказательством существования жизни.

Провести такой тонкий анализ непосредственно на другой планете невозможно, поскольку для этого требуются крупногабаритные стационарные приборы. Понимая это, команда миссии отдала марсоходу команду пробурить породу в долине Неретва. Извлеченный цилиндрический керн аргиллита, получивший название «Сапфировый каньон», был герметично запечатан в стерильную титановую трубку и оставлен на поверхности Марса. Ответ на вопрос о том, действовали ли в кратере Езеро микроорганизмы или только законы неорганической химии, будет получен лишь в следующем десятилетии, когда запланированная космическая миссия Mars Sample Return заберет эти образцы и доставит их в земные лаборатории.

Источник:Nature Communications