Mars Curiosity Rover vede una forte firma di carbonio in un letto di rocce: potrebbe indicare un’attività biologica

Il carbonio è fondamentale per la vita, per quanto ne sappiamo. Quindi ogni volta che rileviamo una forte firma di carbonio da qualche parte come Marte, potrebbe indicare un’attività biologica.

Un forte segnale di carbonio nelle rocce marziane indica processi biologici di qualche tipo?

Qualsiasi forte segnale di carbonio è intrigante quando stai cercando la vita. È un elemento comune a tutte le forme di vita che conosciamo. Ma ci sono diversi tipi di carbonio e il carbonio può concentrarsi nell’ambiente per altri motivi. Non significa automaticamente che la vita sia coinvolta nelle firme di carbonio.

Gli atomi di carbonio hanno sempre sei protoni, ma il conteggio dei neutroni può variare. Gli atomi di carbonio con diverso numero di neutroni sono chiamati isotopi. Tre isotopi del carbonio sono presenti in natura: C12 e C13, che sono stabili, e C14, un radionuclide. C12 ha sei neutroni, C13 ha sette neutroni e C14 ha otto neutroni.

Quando si tratta di isotopi di carbonio, la vita preferisce il C12. Lo usano nella fotosintesi o per metabolizzare il cibo. Il motivo è relativamente semplice. C12 ha un neutroni in meno rispetto a C13, il che significa che quando si lega con altri atomi in molecole, crea meno connessioni rispetto a C13 nella stessa situazione. La vita è essenzialmente pigra e cercherà sempre il modo più semplice per fare le cose. C12 è più facile da usare perché forma meno legami rispetto a C13. È più facile arrivare a C13 e la vita non prende mai la strada difficile quando è disponibile un modo più semplice.

Il rover Curiosity è al lavoro nel cratere Gale di Marte, alla ricerca di segni di vita. Trivella nella roccia, estrae un campione polverizzato e lo colloca nel suo laboratorio di chimica a bordo. Il laboratorio di Curiosity si chiama SAM che sta per Analisi del campione su Marte. All’interno di SAM, il rover utilizza la pirolisi per cuocere il campione e convertire il carbonio nella roccia in metano. La pirolisi avviene in un flusso di elio inerte per prevenire qualsiasi contaminazione nel processo. Quindi sonda il gas con uno strumento chiamato Spettrometro laser sintonizzabile per scoprire quali sono gli isotopi di carbonio nel metano.

Lo strumento Sample Analysis at Mars si chiama SAM. SAM è composto da tre diversi strumenti che ricercano e misurano le sostanze chimiche organiche e gli elementi leggeri che sono ingredienti importanti potenzialmente associati alla vita. Credito: NASA/JPL-Caltech

Il team dietro il SAM di Curiosity ha esaminato 24 campioni di roccia con questo processo e ha recentemente scoperto qualcosa di degno di nota. Sei dei campioni hanno mostrato rapporti elevati da C12 a C13. Rispetto a uno standard di riferimento terrestre per i rapporti C12/C13, i campioni di questi sei siti contenevano più di 70 parti per mille C12 in più. Sulla Terra, il 98,93% del carbonio è C12 Terra e C13 costituisce il restante 1,07%.

Un nuovo studio pubblicato negli Atti della National Academy of Sciences (PNAS) ha presentato i risultati. Il suo titolo è “Composizioni di isotopi di carbonio impoverito osservate nel cratere Gale, Marte.L’autore principale è Christopher House, uno scienziato di Curiosity alla Penn State University.

È una scoperta entusiasmante e, se questi risultati fossero ottenuti sulla Terra, segnalerebbero che un processo biologico ha prodotto l’abbondanza di C12.

Sulla Terra antica, i batteri di superficie producevano metano come sottoprodotto. Sono chiamati metanogeni, e sono procarioti del dominio Archaea. I metanogeni sono ancora presenti oggi sulla Terra, nelle zone umide anossiche, nel tratto digerente dei ruminanti e in ambienti estremi come le sorgenti termali.

Questi batteri producono metano che entra nell’atmosfera, interagendo con la luce ultravioletta. Queste interazioni producono molecole più complesse che sono piovute sulla superficie terrestre. Sono conservati nelle rocce terrestri, insieme alle loro firme di carbonio. La stessa cosa potrebbe essere accaduta su Marte e, se così fosse, potrebbe spiegare le scoperte di Curiosity.

Ma questo è marzo. Se la storia della ricerca della vita su Marte ci dice qualcosa, non è per anticipare noi stessi.

«Stiamo trovando cose su Marte che sono interessanti in modo allettante, ma avremmo davvero bisogno di più prove per dire che abbiamo identificato la vita», ha affermato Paul Mahaffy, ex ricercatore principale per l’analisi dei campioni di Curiosity presso il laboratorio su Marte. «Quindi stiamo guardando cos’altro potrebbe aver causato la firma del carbonio che stiamo vedendo, se non la vita».

La curiosità ha scattato questo panorama a 360 gradi il 9 agosto 2018, su Vera Rubin Ridge. Crediti: NASA/JPL-Caltech/MSSS

Nel loro articolo, gli autori scrivono: “Ci sono molteplici spiegazioni plausibili per l’esaurimento anomalo ¹³C osservato nel metano evoluto, ma nessuna singola spiegazione può essere accettata senza ulteriori ricerche.

Una delle difficoltà nel comprendere le firme del carbonio come questa è il nostro cosiddetto bias della Terra. La maggior parte di ciò che gli scienziati sanno sulla chimica atmosferica e cose correlate si basa sulla Terra. Quindi, quando si tratta di questa firma di carbonio appena rilevata su Marte, gli scienziati possono trovare difficile mantenere le loro menti aperte a nuove possibilità che potrebbero non esistere su Marte. Ce lo dice la storia della ricerca della vita su Marte.

«La cosa più difficile è lasciare andare la Terra e lasciare andare quel pregiudizio che abbiamo e cercare davvero di entrare nei fondamenti della chimica, della fisica e dei processi ambientali su Marte», ha detto l’astrobiologo Goddard Jennifer L. Eigenbrode, che ha partecipato al studio del carbonio. In precedenza, Eigenbrode ha guidato un team internazionale di scienziati di Curiosity nel rilevamento di una miriade di molecole organiche – quelle che contengono carbonio – sulla superficie marziana.

«Dobbiamo aprire le nostre menti e pensare fuori dagli schemi», ha detto Eigenbrode, «ed è quello che fa questo documento».

I ricercatori sottolineano due spiegazioni non biologiche per l’insolita firma di carbonio nel loro articolo. Uno riguarda le nuvole molecolari.

L’ipotesi della nuvola molecolare afferma che il nostro Sistema Solare è passato attraverso una nuvola molecolare centinaia di milioni di anni fa. Questo è un evento raro, ma accade circa una volta ogni 100 milioni di anni, quindi gli scienziati non possono scartarlo. Le nubi molecolari sono principalmente idrogeno molecolare, ma una potrebbe essere stata ricca del tipo di carbonio più leggero rilevato da Curiosity nel cratere Gale. La nuvola avrebbe causato il raffreddamento di Marte, provocando una glaciazione in questo scenario. Il raffreddamento e la glaciazione avrebbero impedito al carbonio più leggero nelle nubi molecolari di mescolarsi con l’altro carbonio di Marte, creando depositi di C12 elevati. Il documento afferma che «lo scioglimento glaciale durante il periodo glaciale e il ritiro del ghiaccio dopo dovrebbero lasciare le particelle di polvere interstellare sulla superficie geomorfologica glaciale».

L’ipotesi si adatta poiché Curiosity ha trovato alcuni dei livelli elevati di C12 in cima alle creste, come la cima del Vera Rubin Ridge, e altri punti alti nel cratere Gale. I campioni sono stati raccolti da «… una varietà di litologie (pietra fangosa, sabbia e arenaria) e sono stati temporaneamente distribuiti durante le operazioni della missione fino ad oggi», afferma il documento. Tuttavia, l’ipotesi della nuvola molecolare è un’improbabile catena di eventi.

Il rover Curiosity della NASA ha sollevato il suo braccio robotico con il trapano puntato verso il cielo mentre esplorava Vera Rubin Ridge alla base del Monte Sharp all’interno del Cratere Gale, sullo sfondo del lontano bordo del cratere. Questo mosaico della fotocamera Navcam è stato cucito da immagini grezze scattate a Sol 1833, 2 ottobre 2017, e colorato. Credito: NASA/JPL/Ken Kremer/kenkremer.com/Marco Di Lorenzo.

L’altra ipotesi non biologica riguarda la luce ultravioletta. L’atmosfera di Marte contiene oltre il 95% di anidride carbonica e, in questo scenario, la luce UV avrebbe interagito con il gas di anidride carbonica nell’atmosfera di Marte producendo nuove molecole contenenti carbonio. Le molecole sarebbero piovute sulla superficie di Marte e sarebbero diventate parte della roccia lì. Questa ipotesi è simile a come i metanogeni producono indirettamente C12 sulla Terra, ma è del tutto abiotica.

«Tutte e tre le spiegazioni si adattano ai dati», ha affermato l’autore principale Christopher House. «Abbiamo semplicemente bisogno di più dati per escluderli o escluderli».

Questa figura dello studio mostra le tre ipotesi che potrebbero spiegare la firma del carbonio. Il blu mostra metano prodotto biologicamente dall’interno di Marte, creando la deposizione di materiale organico impoverito di 13C dopo la fotolisi. L’arancione mostra le reazioni fotochimiche tramite la luce UV che possono risultare in vari prodotti atmosferici, alcuni dei quali verrebbero depositati come materiale organico con legami chimici facilmente rotti. Il grigio mostra l’ipotesi della nuvola molecolare. Credito: House et al. 2022.

«Sulla Terra, i processi che produrrebbero il segnale di carbonio che stiamo rilevando su Marte sono biologici», ha aggiunto House. «Dobbiamo capire se la stessa spiegazione funziona per Marte o se ci sono altre spiegazioni perché Marte è molto diverso».

Quasi la metà dei campioni di Curiosity aveva livelli di C12 inaspettatamente elevati. Non sono solo superiori al rapporto terrestre; sono più alti di quelli che gli scienziati hanno trovato nei meteoriti marziani e nell’atmosfera marziana. I campioni provenivano da cinque località del Cratere Gale e tutte avevano una cosa in comune: hanno superfici antiche e ben conservate.

Come ha detto Paul Mahaffy, i risultati sono «straordinariamente interessanti». Ma gli scienziati stanno ancora imparando a conoscere il ciclo del carbonio di Marte e ci sono molte cose di cui ancora ignoriamo. Si è tentati di fare ipotesi sul ciclo del carbonio di Marte sulla base del ciclo del carbonio terrestre. Ma il carbonio potrebbe attraversare Marte in modi che non abbiamo ancora immaginato. Indipendentemente dal fatto che questa firma di carbonio finisca per essere un segnale per la vita o meno, è comunque una conoscenza preziosa quando si tratta di comprendere la firma di carbonio di Marte.

«Definire il ciclo del carbonio su Marte è assolutamente fondamentale per cercare di capire come la vita potrebbe inserirsi in quel ciclo», ha affermato Andrew Steele, scienziato di Curiosity con sede presso la Carnegie Institution for Science di Washington, DC. «L’abbiamo fatto con successo sulla Terra , ma stiamo appena iniziando a definire quel ciclo per Marte”.

Ma non è facile trarre conclusioni su Marte basandosi sul ciclo del carbonio terrestre. Steele lo ha chiarito quando ha detto: «C’è una parte enorme del ciclo del carbonio sulla Terra che coinvolge la vita e, a causa della vita, c’è una parte del ciclo del carbonio sulla Terra che non possiamo capire perché ovunque guardiamo, c’è vita.»

Il rover Perseverance della NASA sta cercando segni di vita antica su Marte al cratere Jezero. I risultati di Curiosity possono informare le attività di campionamento di Perseverance. Credito: NASA/JPL-Caltech/MSSS

Curiosity sta ancora lavorando su Marte e lo sarà ancora per un po’. Il significato di questi campioni, insieme a una migliore comprensione del ciclo del carbonio di Marte, è più avanti. Curiosity campionirà più roccia per misurare le concentrazioni di isotopi di carbonio. Analizzerà roccia da altre superfici antiche ben conservate per vedere se i risultati sono simili a questi. Idealmente, incontrerebbe un altro pennacchio di metano e lo proverebbe, ma quegli eventi sono imprevedibili e non c’è modo di prepararsi per uno.

Ad ogni modo, questi risultati aiuteranno a informare la raccolta di campioni di Perseverance al cratere Jezero. La perseveranza può confermare segnali di carbonio simili e persino determinare se sono biologici o meno.

Perseverance sta anche raccogliendo campioni per il ritorno sulla Terra. Gli scienziati studieranno quei campioni in modo più efficace di quanto possa fare il laboratorio di bordo del rover, quindi chissà cosa impareremo.

La vita antica su Marte è una prospettiva allettante, ma per ora, almeno, è incerta.

Originariamente pubblicato il Universo oggi.

Per ulteriori informazioni su questa ricerca, vedere:

Riferimento: «Composizioni di isotopi di carbonio esaurite osservate nel cratere Gale, Marte» di Christopher H. House, Gregory M. Wong, Christopher R. Webster, Gregory J. Flesch, Heather B. Franz, Jennifer C. Stern, Alex Pavlov, Sushil K Atreya, Jennifer L. Eigenbrode, Alexis Gilbert, Amy E. Hofmann, Maëva Millan, Andrew Steele, Daniel P. Glavin, Charles A. Malespin e Paul R. Mahaffy, 17 gennaio 2022, Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze.
DOI: 10.1073/pnas.2115651119