金泽大学环日本海环境研究中心副教授福士圭介和自然科学研究科硕士一年级学生森田康晖，与东京工业大学地球生命研究所关根康人教授、美国哈佛大学Robin Wordsworth副教授及日本物质材料研究机构的佐久间博主任研究员等组成的研究团队，全球首次成功复原了远古火星上的水质信息，并确认其盐度和酸碱度(pH值)等适合生命的诞生及生存。
此前经欧美的轨道卫星和火星探测器调查，已确认火星表面存在河床痕迹等流水地形以及在水作用下生成的矿物质，证明在大约35～40亿年前的远古火星上存在过液态水。但盐度和pH值等对判断是否存在过生命的关键水质信息却一直不甚明了。
美国国家航空航天局（NASA）的好奇号火星探测器在其登陆的盖尔环形山内部发现了巨大的盐水湖遗迹。本次研究即利用在地球放射性废物处理领域开发的技术独立解析了盐水湖底沉积物的探测数据。结果显示，火星上的远古水中，含盐量为地球上海水的三分之一左右，pH值为中性，而且富含矿物质和能量物质，非常适宜生命生存。另外，要想达到这样的水质组成，大约要在100万年的时间里源源不断地将盐分和矿物质通过河流运到湖泊中逐渐浓缩才能实现。这种溶质集中浓缩的过程往往被认为是生命诞生所必不可少的。
这些发现改写了人类对火星的认知，从之前的“曾经存在水的行星”跃变成现在的“适合生命诞生和生存的行星”。此次运用的水质复原法，还将用于分析下面日本小行星探测器“隼鸟2号”带回的样本。
相关研究成果已于2019年10月25日发表在英国科学期刊《自然通讯》（Nature Communications）上。
研究背景
轨道卫星和火星探测器此前在火星上发现了大约35亿年前远古时期曾经存在大面积液态水的证据，让火星以前曾存在生命的论战再次进入人们视线。不过，想要验证是否真的存在过生命，不是只证明是否有过水那么简单，还必须查明pH值、盐分组成、溶质浓度等基本水质参数及其周围的环境。NASA好奇号火星探测器的登陆地点就是拥有远古时期巨大盐水湖遗迹的盖尔环形山上，并对当时湖底沉积的淤泥进行了探测（图1）。好奇号虽然从沉积物中发现了水化形成的矿物和有机物等，但却未能获知已不复存在的水的水质信息。
图1：好奇号火星探测器正在调查盖尔环形山曾经的水环境（图：NASA）
研究成果
此次，研究团队将放射性废物地质处置研究领域开发出来的水质复原法（图2），应用于好奇号收集的盖尔环形山沉积物数据分析，全球首次复原了远古火星上曾经存在的水的水质（表1）。
图2：放射性废物地质处置领域开发的利用蒙皂石层间成分的水质复原法
蒙皂石是一类拥有层状结构粘土矿物蒙皂石的统称，其层间能保留阳离子（Na+、K+、Mg2+、Ca2+）。层间保留的阳离子组成由其接触的水中阳离子成分通过离子交换平衡来决定。即使接触的水流失后，那些阳离子也依然被保留在蒙皂石层之间。因此可以根据被保留下来的层间阳离子成分，逆向推测出曾经流过蒙皂石的水的阳离子成分信息。另外，水化生成的矿物盐等与蒙皂石共存时，考虑进这些盐与水之间的溶解、沉淀反应等后，也可以复原阴离子（Cl-、SO42-、HCO3-）的成分组成和pH值信息。
表1：本次研究复原的盖尔环形山湖泊沉积物孔隙的水质结果
pH值与地球上的淡水湖（琵琶湖）和海水接近，同样为适合生命生存的中性，而且含有丰富的矿物质。
复原的水质为中性pH，主要溶解成分钠和氯也与地球上的海洋相同，另外还还含有大量的镁、钙等矿物质。此外，盐度约为地球海水的1/3，而且还发现存在生命可以利用的能量（氧化还原非平衡）。复原水质中不含强酸、强碱或高盐等对生命机体有害的物质，非常适合生命生存。
这种湖泊水质是如何实现的呢？根据表面残留地貌看，盖尔环形山内湖只有进水河，没有出水河。溶解于进水河的微量盐分和矿物质被一点点携入湖泊，盐水湖则通过湖面蒸发来维持水的进出平衡。不同于出水河，蒸发方式只会减少水，流进来的盐分和矿物质则被留在了湖中，并随着时间流逝而不断富集。研究团队根据地球河流典型盐度和气候模型得出了盖尔环形山盐水湖的蒸发率，进而计算出达到前述复原盐度所需的富集时间—100万年左右。也就是说，在火星早期100万年左右的温暖期间，各类微量盐分被源源不断运送到湖中并逐渐浓缩。而这种长期富集溶解物质的场所极为利于有机物的聚合和高分子化，因此被认为是地球生命诞生地的翻版。如上所述，此次研究团队证明，盖尔环形山内存在过的巨大湖泊水质不仅适宜于生命生存，还特别利于生命的诞生。
未来展望
经过40年的探测，火星是“曾经存在水的行星”的形象已经深入人心。但由于不清楚过去那些水的具体水质和环境，关于火星生命的讨论始终没有跳出猜想的范畴。本次研究首次定量明确了火星曾经的水质和环境，把火星的形象升级成了“适合生命诞生和生存的行星”。如此一来，研究重心就往前推进到了火星上是否曾经存在大范围适合生命生存的环境、以及这种环境是何时又是以何种方式结束的等新课题上。另外，在火星样本返回计划中，本研究还有助于甄选出最有希望发现生命痕迹的样本，将其带回地球。
论文信息
题目 :Semiarid climate and hyposaline lake on early Mars inferred from reconstructed water chemistry at Gale
期刊 :《自然通讯》
DOI :10.1038/s41467-019-12871-6 outer
文：JST客观日本编辑部翻译整理
