已知在火星沉积物的有机物中，重碳 13C 在碳的稳定同位素比中含量极少，且每个样本的数值差异很大，造成这种现象的原因尚不明确。日本东北大学理学研究科地球物理学专业的研究生小山俊吾和特任研究员吉田辰哉、寺田直树教授等人组成的研究团队，开发出了一种结合大气光化学模型和放射对流模型的大气演化模型，推演了远古火星大气中的甲醛碳同位素比率的变化，发现火星有机物中异常的碳同位素比可以通过大气中的甲醛来解释。这表明甲醛可能是火星有机物的来源之一，而且在远古火星上可能产生过糖类等生命材料分子。相关研究成果已发表在期刊《Scientific Reports》上。
图1.远古火星有机物生成过程概念图（©Shungo Koyama）
尽管目前的火星环境寒冷干燥，但地质证据表明，大约30至40亿年前，火星上被认为存在液态水。NASA的火星探测器“好奇号”发现，那一时期火星沉积物中有机物 13C 的含量异常少。此外，这种碳同位素比在不同样本中差异巨大，其成因一直是个谜。
为此，研究人员重点研究了大气中产生的甲醛（H₂CO）。这种甲醛分子被认为是在远古火星大气中生成的，沉积在地面后，它能在水中生成包括糖类在内的复杂有机物，这些分子可能是生命的基础材料。
研究团队开发了结合大气光化学模型和放射对流模型的大气演化模型，推演了大约30至40亿年前的远古火星大气中的甲醛碳同位素比率的变化。结果发现，当火星大气中的二氧化碳（CO₂）被太阳紫外线分解时，因为 13CO₂ 比 12CO₂ 更难被分解，所以分解后的一氧化碳（CO）产生的甲醛中的 13C 含量较少。该研究还表明了碳同位素比率受当时火星上的大气压力和火星表面反射光的比例（albedo，反照率）、CO和CO₂ 的比例、火山活动释放的氢量等因素的影响。
研究发现，这种由甲醛生成的有机物，可以解释火星有机物中发现的异常碳同位素比率，也就是 13C 的枯竭。此外，考虑到火星有机物同位素比率的另一个特征，即宽泛波动，也暗示了火星的有机物除了来自甲醛的有机物之外，还有来自火山气体、陨石等运送来的多种有机物混合形成。
这个发现表明，甲醛在远古火星上有机物的生成中起到了关键作用，暗示了火星上曾生成过生命基础材料分子——糖类等分子的可能性。
目前，对火星的地面探测仍在进行中，对火星上存在的有机物特征以及形成时的环境，今后逐渐会有更详细的解释。此外，日本主导的火星卫星采样返回计划“MMX（Martian Moons eXploration，火星卫星探测计划）”，有望获得火星不同时代的碳同位素信息。
研究团队计划以这些数据为基础，探索生命材料有机物是在火星的“哪个时代”、“多少数量”、“哪些地点”、“以何种分子形式”生成的，从而进一步探索火星上生命诞生的可能性。
原文：《科学新聞》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Scientific Reports
论文：Stable carbon isotope evolution of formaldehyde on early Mars
DOI: 10.1038/s41598-024-71301-w
