Organisk materiale fra Mars afslører den sandsynlige oprindelse af livets byggesten

I et meteorkrater på den røde planet bevæger en ensom robot sig omkring. Med stor sandsynlighed indsamler den lige nu jordprøver med en bor og en robotarm, som den har for vane at gøre. NASAs Curiosity-rover har været aktiv på Mars som videnskabens forlængede arm i næsten 12 år, og den fortsætter med at gøre opdagelser, der overrasker og udfordrer forskernes forståelse af både Mars og vores egen verden her på Jorden.

Senest har opdagelsen af aflejret organisk materiale, med nogle særlige kendetegn, fået mange forskere til at klø sig i hovedet. Beskaffenheden af disse kulstofbaserede materialer, nærmere bestemt forholdet mellem deres kulstofisotoper, overraskede forskerne.

Organiske materialer med sådanne kendetegn, hvis fundet på Jorden, ville typisk være et tyde på mikroorganismer, men de kan også være resultatet af ikke-biologiske, kemiske processer. Fundet ansporede naturligvis straks forskerne til at søge efter et klart svar. Intet syntes dog at passe.

Men for forskningssamarbejdet bag en ny undersøgelse offentliggjort i Nature Geoscience, har der ikke været meget hovedkløen, men derimod udbredt begejstring. For denne gruppe af forskere fra Københavns Universitet og Tokyo Institute of Technology er opdagelsen på Mars er nemlig præcis den manglende brik, der får alt til at falde på plads.

Som medforfatter og kemi-professor Matthew Johnson udtrykker det, er det "den rygende pistol", der er nødvendig for at bekræfte en årtier gammel teori om såkaldt fotolyse i Mars' atmosfære.

Med Curiosity-prøven er den nye forskning i stand til, med en vis sikkerhed, at bevise, at solen nedbrød CO2 i Mars' atmosfære for milliarder af år siden - som den gamle teori forudsagde. Og at det resulterende kulilte gradvist reagerede med andre kemikalier i atmosfæren, syntetiserede komplekse molekyler – og således forsynede Mars med organisk materiale.

"Sådanne kulstofbaserede komplekse molekyler er forudsætningen for liv. Det er livets byggesten, kan man sige. Så det er lidt som den gamle debat om, hvad der kom først, hønen eller ægget. Vi viser med forskningen, at det organiske materiale fundet på Mars er dannet gennem atmosfæriske fotokemiske reaktioner - dvs. uden liv. Det udgør ”ægget”, en forudsætning for liv. Men om dette organiske materiale faktisk resulterede i liv på den røde planet, mangler fortsat at blive bevist" sagde Johnson og fortsatte:

"Derudover, fordi Jorden, Mars og Venus havde meget lignende CO2-rige atmosfærer dengang for længe siden, da denne fotolyse fandt sted, kan det også være vigtigt for vores forståelse af, hvordan livet begyndte her på Jorden," sagde professor Matthew Johnson fra Kemisk Institut ved Københavns Universitet.

To stykker Mars adskilt af 50 millioner km - ét puslespil løst

For 12 år siden brugte Johnson og to kolleger simuleringer baseret på kvantemekanik til at fastslå, hvad der sker, når en CO2-rig atmosfære udsættes for solens UV-lys i en proces kendt som fotolyse.

Grundlæggende er det sådan, at omkring 20% af CO₂’en på Mars bliver splittet til ilt og kulilte (CO). Men kulstof har to stabile isotoper: kulstof-12 og kulstof-13. Normalt er de til stede i forholdene én kulstof-13 for hver 99 kulstof-12. Men fotolyse sker hurtigere med den lettere kulstof-12, og det betyder, at den kulilte, der produceres af fotolyse har mindre kulstof-13 (er forarmet), og den resterende CO₂, der ikke gennemgår processen, efterlades med mere (er beriget).

På grund af dette kunne Johnson og hans kolleger lave meget præcise forudsigelser kulstofisotop-ratioen efter fotolyse. Og det gav dem to karakteristiske fingeraftryk at lede efter. En af disse blev identificeret i en anden Mars-prøve for år tilbage.

"Der findes faktisk et stykke af Mars her på Jorden, som blev slået fri af en meteorit, slynget her til, og derefter selv blev en meteorit, da det landede her på Antarktis. Allan Hills-meteoritten indeholder nogle karbonatmineraler, der dannes fra CO2 i atmosfæren, som vi fandt ud af har en ratio af kulstof-isotoper, der præcist matcher vores forudsigelser i de kvantekemiske simuleringer. Men der manglede en brik i puslespillet. Vi manglede det andet produkt af denne kemiske proces, for at kunne bekræfte teorien, og det er det, vi nu har fået," forklarer Matthew Johnson.

Kulstoffet i Allan Hills-meteoritten er beriget med kulstof-13 og derfor et spejlbillede af den forarmning af kulstof-13, der nu er blevet målt i det organiske materiale fundet af Curiosity på Mars. Det nye studie har dermed koblet data sammen fra to prøver, som forskerne mener har samme oprindelse i Mars' barndom, men altså blev fundet mere end 50 millioner kilometer fra hinanden.

"Der er ingen anden måde at forklare både kulstof-13 forarmningen i det organiske materiale og berigelsen i den martianske meteorit, i forhold til vulkansk CO2 udledt på Mars, som har en konstant sammensætning, svarende til Jordens vulkaner, og fungerer som en basislinje," sagde Johnson.

Håber at finde samme beviser på Jorden

Fordi det organiske materiales kulstof indeholder dette isotopiske "fingeraftryk", der viser hvor det kom fra, kan forskerne spore kilden til det - kulilten, der blev dannet ved fotolyse i atmosfæren. Men de opnår samtidigt en masse indsigt i, hvad der skete kulstoffet undervejs.

"Det viser os, at kulilte er udgangspunktet for syntesen af organiske molekyler i den her slags atmosfærer. Det er en vigtig konklusion om oprindelsen af livets byggesten. Selvom det indtil videre kun er på Mars," sagde Matthew Johnson.

Forskerne håber at finde de samme isotopiske beviser på Jorden, men dette er endnu ikke sket, og det kunne være en meget større udfordring, fordi vores geologiske udvikling har ændret overfladen markant sammenlignet med Mars, forklarer Johnson.

"Det er rimeligt at antage, at fotolysen af CO2 også var en forudsætning for fremkomsten af liv her på Jorden, i al sin kompleksitet. Men vi har endnu ikke fundet dette 'rygende pistol' materiale her på Jorden for at bevise, at processen fandt sted. Måske fordi Jordens overflade er meget mere levende, geologisk og bogstaveligt talt, og derfor konstant forandrer sig. Men det er et stort skridt, at vi nu har fundet det på Mars, fra en tid, hvor de to planeter var meget ens," siger Matthew Johnson.

*

Fakta: Organisk materiale

Prøven fundet på Mars indeholder aflejringer af såkaldt organisk materiale. For lægfolk kan måske dette lyde mere spændende, end det er. Organisk materiale i en kemisk kontekst betyder ikke nødvendigvis noget levende, som man ellers kunne tro. Begrebet dækker molekyler, der indeholder kulstof og mindst et andet element og kan let eksistere uden liv. Disse molekyler skal snarere forstås som livets byggesten.

Fakta: Hvad er fotolyse

Fotolyse betyder, at solens UV-stråler giver molekyler energi til at udføre en kemisk transformation. Ifølge forskningen skete dette i Mars' atmosfære, hvor 20% af CO2-molekylerne der blev splittet til ilt og kulilte.

I tidligere forskning har Johnson og kolleger vist, at kuldioxid, der indeholder kulstof-12-isotopen, fotolyseres hurtigere end den tungere isotop kulstof-13.

Over tid produceres CO, der er udtømt for 13C, og 13C akkumuleres i den resterende CO2. Dette resulterer i såkaldt isotopisk berigelse i CO2 og udtømning i CO, som to sider af den samme historie.

Det er dette ”fraktioneringsforhold” i kulstof, der fungerer som bevis for fotolyse i de to prøver fra Mars.

Fakta: Ilt malede Mars rød

Fotolyse af et CO2-molekyle giver kulilte (CO) og et iltatom (O). På Mars forbliver kun kulilte, som omdannes til det organiske materiale fundet af Curiosity-roveren.

Men hvor ilten er blevet af, er heller ingen hemmelighed. Ilten bliver til O₂, som interagerer med jern på Mars' overflade. Den Røde Planet er rustrød på grund af oxideret jern.

Fakta: Isotoper har forskellig vægt

Isotoper er varianter af det samme element, der har forskellig vægt, fordi kernen indeholder flere eller færre neutroner.

Kulstof har to stabile isotoper. Normalt har omkring 99% af kulstof 6 protoner og 6 neutroner (¹²C) i sin kerne. Omkring 1% har i stedet 6 protoner og 7 neutroner (¹³C). Forholdet kan fungere som et kemisk fingeraftryk, der afslører, hvilke reaktioner kulstoffet har gennemgået.

Fotolyse favoriserer kulstof-12, og en høj koncentration af isotopet kan derfor indikere denne proces.

Ekstra info: Den berømte Mars-meteorit

Opdagelsen af organiske aflejringer på Mars med en lav ratio af kulstof-13 fuldender puslespillet af empiriske beviser for fotolyseteorien, da forskere allerede fandt den anden afgørende brik for år siden i den berømte meteorit, Allan Hills 84001. Meteoritten indeholder nemlig karbonat med en forhøjet koncentration af det tunge kulstof 13-isotop.

Den blev opdaget i bakkelandskabet Allan Hills i Antarktis for 40 år siden af Roberta Score, og menes at stamme fra den røde planet. Meteoritten blev særlig kendt, fordi den indeholder nogle aflejringer, som NASA-forskere i 1996 annoncere, at de mente var spor af liv på Mars i form af mikroskopiske bakterie-fossiler.

I dag er der konsensus om, at disse aflejringer er abiotiske - det vil sige, at de stammer fra ikke-biologiske processer.

Ekstra info: Mars, Jorden og Venus havde den samme atmosfære

Ifølge forskerne havde Jorden for milliarder af år siden omtrent den samme atmosfære som vores naboplaneter Mars og Venus.

Da de tidlige planeter Venus, Jorden og Mars endelig dannede faste overflader, mener forskerne, at de begyndte at udlede store mængder CO2 fra ekstrem vulkansk aktivitet. Det var sådan, de dannede deres første atmosfærer med store koncentrationer af gassen. Ilt var endnu ikke blevet en del af atmosfæren; dette skete senere på Jorden efter livets opståen.

Fotolyseteorien siger, at UV-stråler fra solen derefter starter en kæde af kemiske reaktioner. En kæde, der begynder med nedbrydningen af CO2 til kulilte, som er byggestenen til en mængde andre kemiske forbindelser.

Således blev grundlaget for de mange kulstofforbindelser og komplekse molekyler, vi har i dag, dannet med hjælp fra solen - i tilfældet med Jorden, grundlaget for liv.

"Siden da har skæbnen for de tre planeter været markant forskellig. Jordens kuldioxid reagerede med vores store mængder overfladevand, og meget af det blev deponeret over tid som klipper – fx kalksten - hvilket efterlod vores atmosfære domineret af nitrogen, sådan som den er i dag. Livet opstod, og mikroorganismer producerede ilt, hvilket blandt andet skabte vores ozonlag, mens Mars og Venus stadig har meget CO2-dominerede atmosfærer i dag," forklarer Matthew Johnson.

I dag har Venus en meget tæt og giftig atmosfære, primært af CO2, hvilket giver den en overfladetemperatur på omkring 450 grader Celsius.

På Mars er atmosfæren blevet meget tyndere sammenlignet med Jordens og har efterladt et ørkenlandskab.

Om studiet:

Studiet er udgivet i Nature Geoscience, og netop udkommet i tidskriftets Juni-magasin.

Følgende forskere har bidraget til studiet:

Fra Kemisk Institut ved Københavns Universitet
Matthew S. Johnson og Johan A. Schmidt

Fra Tokyo Institute of Technology:

Yuichiro Ueno, Xiaofeng Zang, Alexis Gilbert, Hiroyuki Kurokawa og Tomohiro Usui

Fra University of Tokyo og Royal Belgian Institute of Space Aeronomy

Shohei Aoki