【自然.地球科学】火星古老沉积物揭示极端贫碳-13同位素之谜：还原大气中的CO合成是关键？

原创 中国矿物岩石地球化学学会气体地化学专委会 元素和同位素地球化学 2024-06-14 14:30 甘肃

一项5月9日最新发表在《自然·地球科学》的研究揭示了火星上古老沉积物中13C极度贫乏的有机物质来源，为理解火星的早期环境条件及其潜在的宜居性提供了重要线索。东京工业大学地球与行星科学系的上野雄一郎(Yuichiro Ueno)领导的国际科研团队通过创新的实验方法和理论分析，提出了一个引人注目的假设：在火星早期的还原性大气环境下，太阳紫外线对二氧化碳（CO2）的光解作用，能够生成富含13C贫化一氧化碳（CO），进而合成了这些独特的有机分子。

图1. 在170纳米至200纳米波长范围内，相较于13CO2，12CO2会发生优先解离，这一区域负责了二氧化碳（CO2）的太阳紫外光解过程。

研究指出，火星“好奇号”探测器在盖尔撞击坑发现的约35亿年前的沉积岩中，含有异常的有机物质，其碳同位素比值（δ13C）低至前所未见的-137‰。这样的同位素组成远远超出地球已知的生物或非生物过程所能产生的范围，引发科学界的广泛讨论。

以往，关于这些13C贫化有机物的起源，科学家们提出了多种假设，包括来自外太空的尘埃、特定的生物代谢途径或是类似于费脱无机反应。然而，这些机制都无法完全解释观察到的巨大碳同位素分馏现象。Ueno和他的同事们则另辟蹊径，通过实验室模拟和高级计算方法，证实了在特定条件下，CO2在火星表面的光化学分解能显著富集较轻的13C同位素，产生极度贫化的CO。

图2. 实心圆圈表示由CO2产生的CO馏分。红圈表示CO的碳同位素组成与初始CO2的碳同位素组成归一化(δ13C-CO = (13CO / 12CO) / (13CO2 / 12CO2) - 1) × 1000‰)。误差条表示通过内部标准CO气体的重复分析确定的质谱分析的外部可重复性(标准偏差:n = 10)。假设CO2光解分馏因子(α1 = 0.871)和CO氧化分馏因子(α2 = 1.0074)，红黑线分别表示计算出的同位素比值和CO分数。

研究团队进一步推测，这些由CO2光解产生的CO随后可能在大气中经过一系列复杂反应，合成出富含13C贫化特征的有机化合物，并最终沉积在古代火星的水体环境中。这一过程不仅能够合理解释有机物的极端同位素组成，而且暗示了火星上曾存在一个活跃的、能够有效将大气CO2转化为有机物质的化学循环系统。

值得注意的是，这一机制还为解释火星早期大气中CO2的13C富集现象提供了一个不需要依赖长时间碳逃逸至太空的解释。通过计算模型，研究人员估计大约有20%的火山排放CO2可能通过此途径转化为有机物，这与火星上碳酸盐的碳同位素比例相吻合。

综上所述，这项研究不仅为我们描绘了一幅早期火星上独特碳循环的图景，还为未来探索火星生命迹象和评估其历史宜居性提供了新的视角。随着更多火星样本的分析和技术的进步，我们有望逐步揭开这颗红色星球上有机物质形成和演化的秘密。

a, CO2(蓝色)和CO(红色)的δ13CVPDB值与光解后剩余CO2的函数(f = (CO2) / (CO2 + CO))，假设实验分馏因子(α1 = 0.871)。虚线表示含有10%、20%和30% CO的火山气体，其δ13CVPDB值与火山二氧化碳相同(-25±5‰(参考文献22))。b、假设模型火星大气分馏因子(α1 = 0.8106)的模型(方法)。c，用于约束模型的报告碳同位素比率。

更多信息请阅读：

Ueno, Y., Schmidt, J.A., Johnson, M.S. et al. Synthesis of 13C-depleted organic matter from CO in a reducing early Martian atmosphere. Nat. Geosci. 17, 503–507 (2024). https://doi.org/10.1038/s41561-024-01443-z