已知在火星沉積物的有機物質中，重碳 13C 在碳的穩定同位素比中含量極少，且每個樣本的數值差異很大，造成這種現象的終極因數尚不明確。日本東北大學理學研究科地球物理學專業的研究生小山俊吾和特任研究員吉田辰哉、寺田直樹教授等人組成的研究團隊，開發出了一種結合大氣光化學模式和放射對流模式的大氣演化模式，推演了遠古火星大氣中的甲醛碳同位素比率的變化，發現火星有機物質中異常的碳同位素比可以透過大氣中的甲醛來解釋。這表明甲醛可能是火星有機物質的來源之一，而且在遠古火星上可能產生過糖類等生命材料分子。相關研究成果已發表在期刊《Scientific Reports》上。
圖1.遠古火星有機物質生成程序概念圖（©Shungo Koyama）
儘管目前的火星環境寒冷乾燥，但地質證據表明，大約30至40億年前，火星上被認爲存在液態水。NASA的火星探測器「好奇號」發現，那一時期火星沉積物中有機物質 13C 的含量異常少。此外，這種碳同位素比在不同樣本中差異巨大，其成因一直是個謎。
爲此，研究人員重點研究了大氣中產生的甲醛（H₂CO）。這種甲醛分子被認爲是在遠古火星大氣中生成的，沉積物在地面後，它能在水中生成包括糖類在内的複雜有機物質，這些分子可能是生命的基礎材料。
研究團隊開發了結合大氣光化學模式和放射對流模式的大氣演化模式，推演了大約30至40億年前的遠古火星大氣中的甲醛碳同位素比率的變化。結果發現，當火星大氣中的二氧化碳（CO₂）被太陽紫外線分解時，因爲 13CO₂ 比 12CO₂ 更難被分解，所以分解後的一氧化碳（CO）產生的甲醛中的 13C 含量較少。該研究還表明了碳同位素比率受當時火星上的大氣壓力和火星表面反射光的比例（albedo，反照率）、CO和CO₂ 的比例、火山活動釋放的氫量等因素的影響。
研究發現，這種由甲醛生成的有機物質，可以解釋火星有機物質中發現的異常碳同位素比率，也就是 13C 的枯竭。此外，考慮到火星有機物質同位素比率的另一個特徵，即寬泛波動，也暗示了火星的有機物質除了來自甲醛的有機物質之外，還有來自火山氣體、隕石等運送來的多種有機物質混合形成。
這個發現表明，甲醛在遠古火星上有機物質的生成中起到了關鍵作用，暗示了火星上曾生成過生命基礎材料分子——糖類等分子的可能性。
目前，對火星的地面探測仍在進行中，對火星上存在的有機物質特徵以及形成時的環境，今後逐漸會有更詳細的解釋。此外，日本主導的火星人造衛星採樣返回計劃「MMX（Martian Moons eXploration，火星人造衛星探測計劃）」，有望獲得火星不同時代的碳同位素資訊。
研究團隊計劃以這些資料爲基礎，探索生命材料有機物質是在火星的「哪個時代」、「多少數量」、「哪些地點」、「以何種分子形式」生成的，從而進一步探索火星上生命誕生的可能性。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Scientific Reports
論文：Stable carbon isotope evolution of formaldehyde on early Mars
DOI: 10.1038/s41598-024-71301-w
