JAXA宇宙科學研究所、JAMSTEC、東京工業大學與高輝度光科學研究中心等組成的研究團隊發現，火星隕石中的碳酸鹽礦產（在地球上主要從熱水中析出或隨着礦石風化等而產生）中含有有機氮化合物（含碳和氮的化合物，肥料中通常含這種化合物）。
研究團隊推測這種有機物質來自40億年前的火星。這表示，「紅色行星」的表面曾經可能是水和有機物質。預計這種來自太古火星的物質也降落在了火星的月球——火衛一上。透過火星人造衛星探測計劃（Martian Moons eXploration: MMX）採集的火衛一樣本中或許會有曾經的火星上存在的有機物質的痕跡。
圖1：火星隕石ALH 84001（左）整體影像。碳酸鹽礦產聚集在方框内的區域（右）碳酸鹽礦產（橙色顆粒）的光學顯微鏡影像。來自Koike et al. （2020）
【研究成果】
太古時期的火星上被認爲存在液態水（海、湖和地下水等，諾亞紀：41-37億年前）。研究認爲，這個時期的火星上存在的部分有機物質溶於水中，並透過與周圍的岩石發生化學反應被礦產吸收，因此未遭到破壞，一直保存至今。此次的發現表明，曾經的火星環境可能與早期地球相似，有大量的水和有機物質。
在地球上迄今爲止發現的約200塊火星隕石中，含有這種太古火星物質的只有2塊，其實是非常罕見的。不過，火星的月球——火衛一上也降落了很多沒有到達地球的火星物質。其中可能也含有太古時期的有機物質等。火星人造衛星探測計劃（Martian Moon eXploration; MMX）打算回收火衛一表面的物質。透過火衛一的樣本揭開火星的有機物質歷史，以及進一步探索火星生命的研究在今後10年可能會取得飛躍隊形變換。
【從隕石中發現火星的有機物質】
有機物質是地球生命的基本物質。光憑火星上存在有機物質這一點未必能構成火星上有生命的證據，但對於探索火星曾經的環境可能適合生命生存（適居性：Habitability）來說是非常重要的線索。近年來着陸偵檢器的調查逐漸發現了火星上存在有機物質的證據。但尚不清楚這些有機物質的起源、分佈、在火星上的保存機制以及與未知火星生命之間的關係等。可以說，來自此次這塊火星隕石的發現，爲解開復雜的「火星歷史之謎」提供了一條重要的線索。
1984年在南極發現的火星隕石Allan Hills（ALH）84001是一塊非常重要且激動人心的隕石。這塊隕石上存在從40億年前的火星水中結晶出來（晶體從液體中分離生成）的微小碳酸鹽礦產顆粒（圖1）。如果當時的火星上發生什麼地質活動（或者生命活動），那麼痕跡應該會刻在這些碳酸鹽中。研究團隊着眼於碳酸鹽作爲雜質摻雜的有機物質。
ALH 84001的碳酸鹽作爲寶貴的樣本受到了全球研究人員的關注。不過，以往的研究主要實施的「破壞分析法」（透過加熱和酸分解破壞隕石，以調查内部成分的化學分析法）存在的問題是，隕石中混入了來自南極（等地，隕石掉落的場所）的地球物質。這給調查隕石本來具有的火星有機物質帶來了困難。
圖2：採集的ALH84001碳酸鹽礦產顆粒（左），以及由此獲得的氮的X射線吸收光譜（右）。上面3條線爲碳酸鹽光譜（Crb-1-3），下面爲參考試劑等的光譜。淡藍色陰影部分是有機氮化合物特有的吸收能量的位置。右圖爲中間圖的等比增大圖。
因此，爲減量火星隕石中混入的地球物質，此次研究團隊實施了新的「氮（原子符號：N）的局部無損分析」。透過利用同步輻射光（SPring-8）向樣本照射等比縮小至100分之1毫米細的X射線，並解析從樣本中發出的X射線吸收能量，可以推算所含氮的氧化還原狀態和化合物等（圖2）。利用這種分析方法，能「無損」調查直徑僅10分之1毫米左右的ALH84001碳酸鹽。氮是地球生命的基本物質，也是一種重要的元素，可作爲了解行星環境演化和適居性的指標。研究團隊利用碳酸鹽中含有的微量氮，推算了太古時期的火星環境（圖2）。
由此發現，ALH 84001碳酸鹽中的氮以有機分子的形式存在。對碳酸鹽以外的樣本進行相同的比較分析，但未檢測出有機分子，因此推測這些物質不是地球的混入物質，而是來自諾亞紀火星的有機物質。另一方面，從相同的碳酸鹽中也沒有檢測出無機硝酸鹽。一氧化氮（化學式：NO）和二氧化氮（NO2）等氮氧化物是氮與氧結合形成的「氧化劑」，也是導致火星生紅鏽的終極因數之一。現在的火星表土和岩石中含有氮氧化物與岩石成分發生反應生成的硝酸鹽。未在諾亞紀火星的隕石中發現硝酸鹽表明，當時的火星可能並沒有像現在這樣生「紅」鏽，而是一個充滿水和有機物質的世界。
現在的火星表層環境對有機物質來說過於惡劣，很多分子會在短時間内被破壞。不過，如果太古時期的有機物質透過水被岩石吸收並帶入地下，則可能存活到現在。此次發現的有機氮化合物就是40億年前溶解到火星的水中（表層水或者地下水），在碳酸鹽結晶時被岩石擷取，從而長期間保存下來的。之後，這種碳酸鹽和周圍的岩石在大約1600萬年前的隕石碰撞中飛出火星重力圈，並在大約1萬年前作爲「火星隕石」掉落在了地球的南極（圖3）
圖3：40億年前的火星環境預測（上）和現在（下）。研究認爲，火星上曾經供給和生成的有機氮化合物被碳酸鹽礦產吸收並長期保存向後飛行出火星，作爲隕石掉落在了地球上。
這種有機氮化合物的「最初起源」尚未查清。可以想到兩種可能性，即（1）是從太空漂移到火星上的，或者（2）是在火星上生成的。據預測，早期的火星上經常會有碳質隕石（龍宮等小行星的碎片）和彗星物質等小天體落到上面。可能是其中所含的部分有機物質溶解到火星的水中，被碳酸鹽吸收。或者是火星曾經的地質活動等產生的氨（NH3）與碳化氫發生反應，在火星上「原位」生成了有機氮化合物（圖3）。
可以說，無論是哪種情況，此次的發現都表明曾經的火星並不是「紅色行星」，而是環境與地球更接近的行星。
從火星隕石到火星月球
這種諾亞紀物質被作爲火星隕石發現是非常罕見的。大部分火星隕石在地質學上都是距今5億～1.7億年前的「年輕」岩石，並不能反映火星上有液態水時的狀態。發現諾亞紀物質的隕石目前只有2塊（本次研究使用的ALH84001和在撒哈拉沙質沙漠發現的NWA7034）。另外，這種寶貴的隕石從落下到回收之前還會被地球上的水和有機物質污染。因此，單從隕石的記錄推測火星歷史在原理上是有侷限性的。
此次，研究團隊透過開發分析技術，成功降低了地球物質造成的污染。不過，最終還需要調查完全未受污染的火星物質。
實際上，火星隕石可能存在嚴重的採樣偏差。火星上的岩石要想到達遙遠的地球，必須經受強烈的撞擊，從而達到逃逸火星的速度。只有能承受住這種撞擊的「結實岩石」（新鮮的火成岩等）才會作爲隕石漂移，水質變成物（原始岩石與周圍的水發生反應後，二次生成的黏土礦產等物質）和有機物質等「柔軟和脆弱的物質」在途中會被破壞。另一方面，由於火衛一和火衛二離火星始終很近，即使遇到比火星隕石受到的撞擊更小的撞擊也能到達上面，預計從火星上飛出的脆弱物質可以順利降落到這兩顆人造衛星上。
論文資訊
題目：In-situ preservation of nitrogen-bearing organics in Noachian Martian carbonates.
期刊：《Nature Communications》
DOI：10.1038/s41467-020-15931-4
中文：JST客觀日本編輯部
