客观日本

探索生命的起源:从40亿年前的火星陨石中检测出有机氮化合物

2020年05月27日 海洋宇宙

JAXA宇宙科学研究所、JAMSTEC、东京工业大学与高亮度光科学研究中心等组成的研究团队发现,火星陨石中的碳酸盐矿物(在地球上主要从热水中析出或随着矿石风化等而产生)中含有有机氮化合物(含碳和氮的化合物,肥料中通常含这种化合物)。

研究团队推测这种有机物来自40亿年前的火星。这表示,“红色行星”的表面曾经可能是水和有机物。预计这种来自太古火星的物质也降落在了火星的月球——火卫一上。通过火星卫星探测计划(Martian Moons eXploration: MMX)采集的火卫一样本中或许会有曾经的火星上存在的有机物的痕迹。

title

图1:火星陨石ALH 84001(左)整体图像。碳酸盐矿物聚集在方框内的区域(右)碳酸盐矿物(橙色颗粒)的光学显微镜图像。来自Koike et al. (2020)

【研究成果】

太古时期的火星上被认为存在液态水(海、湖和地下水等,诺亚纪:41-37亿年前)。研究认为,这个时期的火星上存在的部分有机物溶于水中,并通过与周围的岩石发生化学反应被矿物吸收,因此未遭到破坏,一直保存至今。此次的发现表明,曾经的火星环境可能与早期地球相似,有大量的水和有机物。

在地球上迄今为止发现的约200块火星陨石中,含有这种太古火星物质的只有2块,其实是非常罕见的。不过,火星的月球——火卫一上也降落了很多没有到达地球的火星物质。其中可能也含有太古时期的有机物等。火星卫星探测计划(Martian Moon eXploration; MMX)打算回收火卫一表面的物质。通过火卫一的样本揭开火星的有机物历史,以及进一步探索火星生命的研究在今后10年可能会取得飞跃发展。

【从陨石中发现火星的有机物】

有机物是地球生命的基本物质。光凭火星上存在有机物这一点未必能构成火星上有生命的证据,但对于探索火星曾经的环境可能适合生命生存(适居性:Habitability)来说是非常重要的线索。近年来着陆探测器的调查逐渐发现了火星上存在有机物的证据。但尚不清楚这些有机物的起源、分布、在火星上的保存机制以及与未知火星生命之间的关系等。可以说,来自此次这块火星陨石的发现,为解开复杂的“火星历史之谜”提供了一条重要的线索。

1984年在南极发现的火星陨石Allan Hills(ALH)84001是一块非常重要且激动人心的陨石。这块陨石上存在从40亿年前的火星水中结晶出来(晶体从液体中分离生成)的微小碳酸盐矿物颗粒(图1)。如果当时的火星上发生什么地质活动(或者生命活动),那么痕迹应该会刻在这些碳酸盐中。研究团队着眼于碳酸盐作为杂质掺入的有机物。

ALH 84001的碳酸盐作为宝贵的样本受到了全球研究人员的关注。不过,以往的研究主要实施的“破坏分析法”(通过加热和酸分解破坏陨石,以调查内部成分的化学分析法)存在的问题是,陨石中混入了来自南极(等地,陨石掉落的场所)的地球物质。这给调查陨石本来具有的火星有机物带来了困难。

title

图2:采集的ALH84001碳酸盐矿物颗粒(左),以及由此获得的氮的X射线吸收光谱(右)。上面3条线为碳酸盐光谱(Crb-1-3),下面为参考试剂等的光谱。淡蓝色阴影部分是有机氮化合物特有的吸收能量的位置。右图为中间图的放大图。

因此,为减少火星陨石中混入的地球物质,此次研究团队实现了新的“氮(元素符号:N)的局部无损分析”。通过利用同步辐射光(SPring-8)向样本照射缩小至100分之1毫米细的X射线,并解析从样本中发出的X射线吸收能量,可以推算所含氮的氧化还原状态和化合物等(图2)。利用这种分析方法,能“无损”调查直径仅10分之1毫米左右的ALH84001碳酸盐。氮是地球生命的基本物质,也是一种重要的元素,可作为了解行星环境演化和适居性的指标。研究团队利用碳酸盐中含有的微量氮,推算了太古时期的火星环境(图2)。

由此发现,ALH 84001碳酸盐中的氮以有机分子的形式存在。对碳酸盐以外的样本进行相同的比较分析,但未检测出有机分子,因此推测这些物质不是地球的混入物质,而是来自诺亚纪火星的有机物。另一方面,从相同的碳酸盐中也没有检测出无机硝酸盐。一氧化氮(化学式:NO)和二氧化氮(NO2)等氮氧化物是氮与氧结合形成的“氧化剂”,也是导致火星生红锈的原因之一。现在的火星表土和岩石中含有氮氧化物与岩石成分发生反应生成的硝酸盐。未在诺亚纪火星的陨石中发现硝酸盐表明,当时的火星可能并没有像现在这样生“红”锈,而是一个充满水和有机物的世界。

现在的火星表层环境对有机物来说过于恶劣,很多分子会在短时间内被破坏。不过,如果太古时期的有机物通过水被岩石吸收并带入地下,则可能存活到现在。此次发现的有机氮化合物就是40亿年前溶解到火星的水中(表层水或者地下水),在碳酸盐结晶时被岩石捕获,从而长期间保存下来的。之后,这种碳酸盐和周围的岩石在大约1600万年前的陨石碰撞中飞出火星引力圈,并在大约1万年前作为“火星陨石”掉落在了地球的南极(图3)

title

图3:40亿年前的火星环境预测(上)和现在(下)。研究认为,火星上曾经供给和生成的有机氮化合物被碳酸盐矿物吸收并长期保存后飞出火星,作为陨石掉落在了地球上。

这种有机氮化合物的“最初起源”尚未查清。可以想到两种可能性,即(1)是从太空漂移到火星上的,或者(2)是在火星上生成的。据预测,早期的火星上经常会有碳质陨石(龙宫等小行星的碎片)和彗星物质等小天体落到上面。可能是其中所含的部分有机物溶解到火星的水中,被碳酸盐吸收。或者是火星曾经的地质活动等产生的氨(NH3)与碳化氢发生反应,在火星上“原位”生成了有机氮化合物(图3)。

可以说,无论是哪种情况,此次的发现都表明曾经的火星并不是“红色行星”,而是环境与地球更接近的行星。

从火星陨石到火星月球

这种诺亚纪物质被作为火星陨石发现是非常罕见的。大部分火星陨石在地质学上都是距今5亿~1.7亿年前的“年轻”岩石,并不能反映火星上有液态水时的状态。发现诺亚纪物质的陨石目前只有2块(本次研究使用的ALH84001和在撒哈拉沙漠发现的NWA7034)。另外,这种宝贵的陨石从落下到回收之前还会被地球上的水和有机物污染。因此,单从陨石的记录推测火星历史在原理上是有局限性的。

此次,研究团队通过开发分析技术,成功降低了地球物质造成的污染。不过,最终还需要调查完全未受污染的火星物质。

实际上,火星陨石可能存在严重的采样偏差。火星上的岩石要想到达遥远的地球,必须经受强烈的撞击,从而达到逃逸火星的速度。只有能承受住这种撞击的“结实岩石”(新鲜的火成岩等)才会作为陨石漂移,水质变成物(原始岩石与周围的水发生反应后,二次生成的粘土矿物等物质)和有机物等“柔软和脆弱的物质”在途中会被破坏。另一方面,由于火卫一和火卫二离火星始终很近,即使遇到比火星陨石受到的撞击更小的撞击也能到达上面,预计从火星上飞出的脆弱物质可以顺利降落到这两颗卫星上。

论文信息
题目:In-situ preservation of nitrogen-bearing organics in Noachian Martian carbonates.
期刊:《Nature Communications》
DOI:10.1038/s41467-020-15931-4

日语发布原文

中文:JST客观日本编辑部

专题网页