Марсоход Curiosity обнаружил неизвестную органику на Марсе с помощью нового химического эксперимента

Условия на поверхности Марса совсем неблагоприятные для сохранения сложных химических соединений. Космическая радиация, жесткое ультрафиолетовое излучение и наличие в грунте агрессивных окислителей — перхлоратов — ведут к быстрому разрушению органических молекул.

Тем не менее, поиск органических соединений на Марсе — одна из главных задач современных космических исследований. Наличие углеродных молекул не означает автоматического присутствия жизни, но органика является базовым строительным материалом для любых биологических процессов.

Недавно научная команда миссии марсохода Curiosity опубликовала результаты эксперимента. Использовав специальный химический реагент, исследователи смогли извлечь из древних марсианских пород более двадцати сложных органических соединений.

Проблема традиционного анализа: почему органика исчезает

С 2012 года марсоход Curiosity собирает образцы грунта и анализирует их с помощью бортовой лаборатории, которая называется SAM (Sample Analysis at Mars). Основной метод работы этой лаборатории — термический. Марсоход бурит породу, собирает каменную пыль, помещает ее в специальную печь и нагревает до нескольких сотен градусов. При нагревании порода выделяет газы, которые затем направляются в масс-спектрометр. Этот прибор определяет массу и заряд частиц, позволяя ученым понять, из каких молекул состоял исходный образец.

Однако на Марсе этот базовый метод проходит не без проблем. В марсианском грунте содержится большое количество перхлоратов. Это соли хлорной кислоты, которые являются сильными окислителями. При нагревании в печи лаборатории SAM перхлораты начинают разлагаться и активно выделять кислород.

Когда кислород соединяется с высокой температурой и любыми органическими веществами, присутствующими в образце, происходит процесс, идентичный горению. Сложные углеродные молекулы просто окисляются и разрушаются, превращаясь в обычный углекислый газ и воду. В результате масс-спектрометр фиксирует лишь продукты этого распада, а исходная структура органических соединений остается неизвестной. Ученые получают сигнал о наличии углерода, но не могут понять, какой именно формы были эти молекулы до нагрева.

Решение проблемы: жидкостная химия на борту

Чтобы решить проблему преждевременного разрушения молекул, инженеры NASA заранее предусмотрели на борту Curiosity резервный инструмент. В лаборатории SAM находятся запечатанные резервуары с жидкими химическими реагентами. Долгое время они оставались нетронутыми, пока команда не приняла решение провести первый эксперимент с использованием гидроксида тетраметиламмония — сложной щелочи, обозначаемой аббревиатурой TMAH.

Процесс с использованием этого вещества называется термохемолизом. Он работает иначе, чем обычное нагревание. Когда жидкий реагент смешивается с образцом марсианского грунта, он начинает химически взаимодействовать с макромолекулами углерода, которые могут быть прочно связаны с минералами или иметь слишком большой размер для газового анализа.

TMAH выполняет две функции. Во-первых, он расщепляет крупные органические структуры на более мелкие фрагменты. Во-вторых, он проводит процесс метилирования. В ходе этой химической реакции реагент присоединяет к уязвимым частям молекул метильные группы (состоящие из одного атома углерода и трех атомов водорода).

Присоединение метильных групп меняет физические свойства молекул. Они становятся гораздо менее реактивными, то есть защищаются от окисления при контакте с перхлоратами. Кроме того, эти молекулы приобретают летучесть. Теперь лаборатории SAM достаточно лишь слегка подогреть образец, чтобы защищенные молекулы перешли в газообразное состояние и благополучно достигли детектора, сохранив свою изначальную структуру.

Анализ древних глин: результаты эксперимента

Эксперимент проводился на локации, получившей название «Мэри Эннинг». Этот участок находится в регионе Глен Торридон, у основания горы Эолида в кратере Гейл. Геологические данные показывают, что около 3,5 миллиардов лет назад на этом месте находилось озеро.

Породы в этом районе состоят преимущественно из смектитов — глинистых минералов. Глины имеют слоистую структуру, которая делает их отличной средой для удержания и сохранения химических соединений. Органические молекулы могут проникать между слоями минерала, где они оказываются защищены от жесткого радиационного фона поверхности.

После бурения, добавления реагента TMAH и анализа полученного газа масс-спектрометр зафиксировал присутствие более 20 различных органических молекул. В частности, прибор обнаружил ароматические углеводороды — молекулы, в основе которых лежат прочные углеродные кольца. Среди них были идентифицированы производные бензола, толуол и нафталин.

Особый интерес для исследователей представили молекулы, в состав которых входят атомы других элементов:

1. Серосодержащие соединения: в данных был четко определен бензотиофен — структура, в которой углеродное кольцо содержит атом серы. Наличие серы имеет большое значение для геологической сохранности. Атомы серы способны формировать прочные связи между органическими молекулами, делая всю структуру более устойчивой к распаду. Именно сера могла помочь органике пережить миллиарды лет в суровых условиях Марса.
2. Азотсодержащие соединения: приборы также зафиксировали молекулы, включающие атомы азота. Анализ масс-спектров показал высокую вероятность присутствия диметилиндола. Азот является критически важным элементом для синтеза биологических структур. На Земле именно азотсодержащие циклические молекулы лежат в основе аминокислот и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК).

Происхождение молекул: марсианская биология или космическая пыль

Обнаружение сложных структур, содержащих азот и серу, поднимает вопрос об их происхождении. Однако исследователи подчеркивают, что данные соединения не являются доказательством существования прошлой или настоящей жизни на Марсе.

Чтобы правильно интерпретировать марсианские данные, ученые провели на Земле контрольные лабораторные тесты. В качестве образца они использовали фрагменты Мурчисонского метеорита. Это известный углеродистый хондрит, упавший в Австралии, который содержит большое количество органики, образовавшейся в космосе без участия живых организмов.

Ученые обработали метеоритную породу тем же реагентом TMAH при тех же температурах, которые использовал марсоход Curiosity. Результаты земного эксперимента показали химический профиль, который почти полностью совпадает с марсианским. В метеорите также были обнаружены ароматические кольца, бензотиофен и азотсодержащие молекулы.

Это совпадение дает четкое объяснение происхождению марсианской органики. На ранних этапах формирования Солнечной системы на поверхность Марса постоянно падали астероиды, кометы и межпланетная пыль, несущие в себе сложные молекулы небиологического происхождения. Потоки воды на древнем Марсе смывали эту органику в озера, где она оседала на дне и консервировалась внутри глинистых отложений. Так что марсоход обнаружил древний макромолекулярный углерод метеоритного происхождения.

Значение для будущих исследований

Главный итог данного эксперимента заключается в успешном подтверждении новой методологии. До этого момента исследовательские программы концентрировались на попытках зафиксировать хотя бы простейшие органические элементы, которые смогли избежать сгорания в бортовых печах.

Применение жидких реагентов доказало, что технически возможно извлекать сложные макромолекулы прямо из марсианского реголита в условиях реальной миссии. Метод метилирования обошел проблему перхлоратов и продемонстрировал, что органика на планете не только присутствует, но и может быть изучена с высокой степенью детализации.

Этот опыт уже используется при проектировании следующих миссий. Будущие космические аппараты, такие как европейский марсоход Rosalind Franklin или миссия Dragonfly, предназначенная для изучения спутника Сатурна Титана, будут оснащены усовершенствованными системами жидкостного химического анализа. Это позволит исследователям еще точнее определять источники происхождения органических веществ на других планетах, разделяя химические реакции неживой природы и потенциальные следы биологической активности.

Источник:Nature Communications