火星的古代地質特征表明，過去曾有水存在，最近對蓋爾隕石坑沉積物的研究顯示，這些有機物質具有獨特的同位素組成，表明這些有機物質的來源是大氣過程，而不是生物活動。

火星的地質曆史

盡管到目前爲止，火星呈現出一片貧瘠、塵土飛揚、沒有生命迹象的景觀，但它的三角洲、湖床和河谷等地質特征強烈表明，過去火星表面曾經有大量的水流動。爲了探索這種可能性，科學家們檢查了保存在這些地層附近的沉積物。這些沉積物的成分提供了早期環境條件的線索，隨著時間的推移塑造這顆星球的過程，甚至是過去生命的潛在迹象。

蓋爾環形山的洞見

在其中一項分析中，好奇號火星車從蓋爾環形山收集的沉積物顯示出有機物。蓋爾環形山被認爲是一個大約38億年前由小行星撞擊形成的古老湖泊。然而，與地球上發現的有機物相比，這種有機物的碳-13同位素（13C）的含量明顯低于碳-12同位素（12C），這表明火星上的有機物形成過程不同。

新的研究成果

現在，一項研究闡明了這種差異，發現大氣中的二氧化碳（CO2）光解作用爲一氧化碳（CO），隨後的還原導致有機物中13C含量減少。這項研究由東京工業大學的上野雄一郎（Yuichiro Ueno）教授和哥本哈根大學的馬修·約翰遜（Matthew Johnson）教授領導，于2024年5月9日發表在《自然地球科學》雜志上。

在測量13C和12C之間的穩定同位素比值時，火星有機質的13C豐度爲組成它的碳的0.92%到0.99%。與地球的沉積有機質（約爲1.04%）和大氣中的二氧化碳（約爲1.07%）相比，這是非常低的，這兩種物質都是生物殘留物，與隕石中的有機物（約爲1.05%）不同。

火星上的同位素分餾作用

早期火星的大氣中含有豐富的二氧化碳，同時含有13C和12C同位素。研究人員在實驗室實驗中模擬了火星大氣的不同成分和溫度條件。他們發現，當12CO2暴露在太陽紫外線（UV）光下時，它優先吸收紫外線輻射，導致其解離成13C中枯竭的CO，留下富含13C的CO2。

在火星和地球的高層大氣中也觀察到這種同位素分餾（同位素分離），在那裏，來自太陽的紫外線照射導致CO2分解成CO, 13C含量減少。在火星的還原性大氣中，CO轉化爲簡單的有機化合物，如甲醛和羧酸。在火星早期，表面溫度接近水的冰點，不超過300 K（27°C），這些化合物可能溶解在水中並沉澱在沉積物中。

對火星沉積物的啓示

通過模型計算，研究人員發現，在二氧化碳與一氧化碳之比爲90:10的大氣中，20%的二氧化碳與一氧化碳的轉化率，將導致δ13CVPDB值爲-135‰的沉積有機物。此外，剩余的CO2將富含13C，δ13CVPDB值爲+20‰。這些數值與“好奇號”火星車分析的沉積物和從火星隕石中估計的數值非常吻合。這一發現表明，早期火星有機物形成的主要來源是大氣過程，而不是生物過程。

“如果這項研究的估計是正確的，那麽火星沉積物中可能存在意想不到的有機物質。這表明，未來的火星探索可能會發現大量的有機物質，”上野說。

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