火星的古代地质特征表明，过去曾有水存在，最近对盖尔陨石坑沉积物的研究显示，这些有机物质具有独特的同位素组成，表明这些有机物质的来源是大气过程，而不是生物活动。

火星的地质历史

尽管到目前为止，火星呈现出一片贫瘠、尘土飞扬、没有生命迹象的景观，但它的三角洲、湖床和河谷等地质特征强烈表明，过去火星表面曾经有大量的水流动。为了探索这种可能性，科学家们检查了保存在这些地层附近的沉积物。这些沉积物的成分提供了早期环境条件的线索，随着时间的推移塑造这颗星球的过程，甚至是过去生命的潜在迹象。

盖尔环形山的洞见

在其中一项分析中，好奇号火星车从盖尔环形山收集的沉积物显示出有机物。盖尔环形山被认为是一个大约38亿年前由小行星撞击形成的古老湖泊。然而，与地球上发现的有机物相比，这种有机物的碳-13同位素（13C）的含量明显低于碳-12同位素（12C），这表明火星上的有机物形成过程不同。

新的研究成果

现在，一项研究阐明了这种差异，发现大气中的二氧化碳（CO2）光解作用为一氧化碳（CO），随后的还原导致有机物中13C含量减少。这项研究由东京工业大学的上野雄一郎（Yuichiro Ueno）教授和哥本哈根大学的马修·约翰逊（Matthew Johnson）教授领导，于2024年5月9日发表在《自然地球科学》杂志上。

在测量13C和12C之间的稳定同位素比值时，火星有机质的13C丰度为组成它的碳的0.92%到0.99%。与地球的沉积有机质（约为1.04%）和大气中的二氧化碳（约为1.07%）相比，这是非常低的，这两种物质都是生物残留物，与陨石中的有机物（约为1.05%）不同。

火星上的同位素分馏作用

早期火星的大气中含有丰富的二氧化碳，同时含有13C和12C同位素。研究人员在实验室实验中模拟了火星大气的不同成分和温度条件。他们发现，当12CO2暴露在太阳紫外线（UV）光下时，它优先吸收紫外线辐射，导致其解离成13C中枯竭的CO，留下富含13C的CO2。

在火星和地球的高层大气中也观察到这种同位素分馏（同位素分离），在那里，来自太阳的紫外线照射导致CO2分解成CO, 13C含量减少。在火星的还原性大气中，CO转化为简单的有机化合物，如甲醛和羧酸。在火星早期，表面温度接近水的冰点，不超过300 K（27°C），这些化合物可能溶解在水中并沉淀在沉积物中。

对火星沉积物的启示

通过模型计算，研究人员发现，在二氧化碳与一氧化碳之比为90:10的大气中，20%的二氧化碳与一氧化碳的转化率，将导致δ13CVPDB值为-135‰的沉积有机物。此外，剩余的CO2将富含13C，δ13CVPDB值为+20‰。这些数值与“好奇号”火星车分析的沉积物和从火星陨石中估计的数值非常吻合。这一发现表明，早期火星有机物形成的主要来源是大气过程，而不是生物过程。

“如果这项研究的估计是正确的，那么火星沉积物中可能存在意想不到的有机物质。这表明，未来的火星探索可能会发现大量的有机物质，”上野说。

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