Curiosity machte eine bedeutende Entdeckung: Die Seen auf dem Mars waren einst aufgrund der Kälte zugefroren, und es gibt auch einen Kohlenstoffkreislauf!

[Mobile Software: BoKeYuan] Durch die Untersuchung der chemischen Elemente auf dem Mars können Wissenschaftler in der Geschichte zurückgehen und die Geschichte des Mars zusammensetzen, eines Planeten, der einst die notwendigen Bedingungen für die Erhaltung des Lebens bot. Es war ein mühsamer Prozess, diese Geschichte Element für Element von der etwa 225 Millionen Kilometer entfernten Erde aus zu erzählen. Doch Wissenschaftler lassen sich nicht so leicht abschrecken, und Orbiter und Rover auf dem Mars haben bestätigt, dass es auf dem Roten Planeten einst flüssiges Wasser gab. Dafür gibt es Hinweise wie ausgetrocknete Flussbetten, alte Küstenlinien und die salzige Chemie der Oberfläche.

Mithilfe des Curiosity Rovers der NASA haben Wissenschaftler Hinweise auf seit langem bestehende Seen auf dem Mars gefunden. Auch organische Verbindungen, die chemischen Bausteine ​​des Lebens, wurden ausgegraben. Die Kombination aus flüssigem Wasser und organischen Verbindungen zwingt Wissenschaftler dazu, den Mars weiterhin nach Anzeichen vergangenen oder gegenwärtigen Lebens abzusuchen. Trotz der bisher gefundenen verlockenden Beweise ist das Verständnis der Wissenschaftler für die Geschichte des Mars noch immer in der Entwicklung, und es sind noch einige wichtige Fragen offen, die zur Debatte stehen. Erstens: War die Atmosphäre des frühen Mars dick genug, um den Mars lange genug warm und damit feucht zu halten, damit Leben entstehen und gedeihen konnte?

Und was die organischen Verbindungen betrifft: Sind sie Anzeichen von Leben oder nur Anzeichen chemischer Vorgänge, die entstehen, wenn Marsgestein mit Wasser und Sonnenlicht in Kontakt kommt? In einer neuen, in der Fachzeitschrift Nature Astronomy veröffentlichten Studie liefern Wissenschaftler einige Erkenntnisse, die zur Beantwortung dieser Fragen beitragen. Das mehrjährige Experiment wird in einem Chemielabor im Bauch von Curiosity durchgeführt und heißt Sample Analysis at Mars (SAM). Die Studie ergab, dass sich einige Mineralien im Gestein des Gale-Kraters möglicherweise in Seen auf der Eisdecke gebildet haben. Diese Mineralien könnten sich während einer Kaltphase zwischen Warmzeiten gebildet haben oder nachdem der Mars den größten Teil seiner Atmosphäre verloren hatte und begann, dauerhaft kalt zu werden.

Kalte und eisige Bedingungen auf dem Mars

Der Gale-Krater, der etwa so groß ist wie Connecticut und Rhode Island zusammen, wurde als Landeplatz für den Curiosity-Rover ausgewählt, weil er Spuren von Wasser aus der Vergangenheit aufweist, darunter Tonmineralien, die möglicherweise dazu beigetragen haben, uralte organische Moleküle einzufangen und zu konservieren. Tatsächlich entdeckte Curiosity bei der Erkundung des Fußes eines Berges namens Mount Sharp im Zentrum des Kraters eine 304 Meter dicke Sedimentschicht, die als Schlamm in einem alten See abgelagert worden war. Damit sich so viel Sediment bilden konnte, mussten im Laufe von Millionen bis Zehnmillionen Jahren Wärme und Feuchtigkeit unglaubliche Wassermengen in diese Seen geflossen sein.

Einige geologische Merkmale im Krater deuten jedoch auch auf eine Vergangenheit hin, in der kalte, eisige Bedingungen herrschten. „Irgendwann müssen die Bedingungen auf der Marsoberfläche einen Übergang von warmen und feuchten zu kalten und trockenen Bedingungen wie heute durchlaufen haben, aber wann genau und wie dieser Übergang stattfand, bleibt ein Rätsel“, sagte Heather Franz, Geochemikerin am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. Franz, der die Studie zur Analyse der Marsproben leitete, wies darauf hin, dass Faktoren wie Veränderungen der Neigung des Mars und das Ausmaß der vulkanischen Aktivität dazu führen könnten, dass das Marsklima im Laufe der Zeit zwischen warm und kalt wechselt.

Chemische und mineralogische Variationen im Marsgestein stützen diese Idee und legen nahe, dass sich einige Schichten in kühleren Umgebungen und andere in wärmeren gebildet haben. Ungeachtet dessen deutet eine Reihe bisher vom Curiosity-Rover gesammelter Daten darauf hin, dass das Team Hinweise auf in Gesteinen aufgezeichnete Hinweise auf den Klimawandel auf dem Mars findet. Das Team fand Hinweise auf die kalte, urzeitliche Umgebung des Mars, nachdem das Sample Analysis Laboratory auf dem Mars Kohlendioxid und Sauerstoff aus 13 Staub- und Gesteinsproben extrahiert hatte, die Curiosity über fünf Erdenjahre (Erdjahre bis Marsjahre) gesammelt hatte.

Kohlenstoff und Sauerstoff in der Klimageschichte des Mars

Kohlendioxid ist ein Molekül, das aus einem Kohlenstoffatom besteht, das an zwei Sauerstoffatome gebunden ist, und Kohlenstoff ist ein wichtiger Zeuge des mysteriösen Marsklimas. Tatsächlich ist dieses einfache und vielseitige Element bei der Suche nach Leben anderswo genauso wichtig wie Wasser. Auf der Erde fließt Kohlenstoff kontinuierlich durch die Luft, das Wasser und die Landoberfläche – ein Kreislauf, von dem wir alle wissen, dass er für das Leben unerlässlich ist. Beispielsweise absorbieren Pflanzen Kohlenstoff aus der Atmosphäre in Form von Kohlendioxid. Im Gegenzug produzieren sie Sauerstoff, den der Mensch und die meisten anderen Lebewesen zur Atmung nutzen. Schließlich wird der Kohlenstoff über Kohlendioxid wieder in die Luft freigesetzt oder gelangt in die Erdkruste, wenn Lebensformen sterben und begraben werden.

Wissenschaftler haben entdeckt, dass auch auf dem Mars ein Kohlenstoffkreislauf stattfindet, und arbeiten daran, ihn zu verstehen. Möglicherweise gibt es auf dem Roten Planeten nur wenig Wasser, möglicherweise gab es auf seiner Oberfläche einst reichlich Leben und der Kohlenstoffkreislauf unterscheidet sich zumindest in den letzten drei Milliarden Jahren stark von dem der Erde. „Dennoch geht der Kohlenstoffkreislauf weiter und bleibt wichtig, denn er hilft nicht nur, Informationen über das Klima in der Frühzeit des Mars zu liefern, sondern zeigt uns auch, dass der Mars ein dynamischer Planet ist, auf dem Elemente zirkulieren, und diese Elemente sind die Bausteine ​​des Lebens“, sagte Paul Mahaffy, Abteilungsleiter bei NASA Goddard und leitender Forscher von SAM.

Bedingungen bereitstellen

Nachdem Curiosity Gesteins- und Staubproben an das Marslabor „Sample Analysis“ geliefert hatte, erhitzte es jede Probe auf fast 900 Grad Celsius, um die darin enthaltenen Gase freizusetzen. Durch die Untersuchung der Temperaturen, bei denen Kohlendioxid und Sauerstoff freigesetzt werden, können Wissenschaftler feststellen, aus welchen Mineralien die Gase stammen. Diese Informationen können Aufschluss über den Kohlenstoffkreislauf auf dem Mars geben. Verschiedene Studien deuten darauf hin, dass die Atmosphäre des Mars in der Frühzeit, die hauptsächlich aus Kohlendioxid bestand, dichter gewesen sein könnte als die der Erde. Der größte Teil davon ist im Weltraum verloren gegangen, ein Teil davon könnte jedoch in Gesteinen auf der Marsoberfläche gespeichert sein, insbesondere in Form von Karbonaten, Mineralien aus Kohlenstoff und Sauerstoff.

Auf der Erde entstehen Karbonate, wenn Kohlendioxid aus der Luft von den Ozeanen und anderen Gewässern absorbiert und dann zu Gestein mineralisiert wird. Wissenschaftler gehen davon aus, dass derselbe Prozess auf dem Mars stattfindet und dass dies möglicherweise zur Erklärung beitragen könnte, was mit einem Teil der Atmosphäre des Planeten passiert ist. Allerdings haben Marsmissionen bislang noch nicht genügend Karbonate auf der Marsoberfläche entdeckt, um eine dichte Atmosphäre zu bilden. Dennoch lieferten die wenigen Karbonate, die bei der Analyse der Marsproben nachgewiesen wurden, anhand der in ihnen gespeicherten Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope – verschiedene Versionen eines Elements mit unterschiedlichen Massen – einige interessante Informationen über das Marsklima.

Da diese Isotope bei verschiedenen chemischen Prozessen – von der Gesteinsbildung bis hin zu biologischen Aktivitäten – in unterschiedlichen Anteilen zum Einsatz kommen, liefert das Verhältnis von schweren zu leichten Isotopen in Gesteinen den Wissenschaftlern Hinweise darauf, wie die Gesteine ​​entstanden sind. Bei der Analyse von Marsproben entdeckten die Wissenschaftler in einigen Karbonaten Sauerstoffisotope, die leichter waren als die in der Marsatmosphäre. Dies lässt darauf schließen, dass die Karbonate nicht erst vor langer Zeit entstanden sind, sondern einfach durch die Aufnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre in die Seen. Wäre dies der Fall, wären die Sauerstoffisotope im Gestein etwas schwerer als die in der Luft. Obwohl es möglich ist, dass sich die Karbonate schon sehr früh in der Geschichte des Mars gebildet haben, war die Zusammensetzung der Atmosphäre etwas anders als heute.

Wohin geht der ganze Kohlenstoff?

Die Forscher halten es jedoch für wahrscheinlicher, dass sich die Karbonate in gefrorenen Seen gebildet haben. In diesem Fall könnte das Eis die schweren Sauerstoffisotope absorbieren und die leichtesten zurücklassen, die dann Karbonate bilden. Auch andere Curiosity-Wissenschaftler haben Beweise dafür vorgelegt, dass es im Gale-Krater einen eisbedeckten See geben könnte. Die geringe Häufigkeit von Karbonaten auf dem Mars gibt Rätsel auf. Wenn der Gale-Krater nicht viele dieser Mineralien aufweist, war die Atmosphäre des frühen Mars vielleicht dünner als erwartet, oder vielleicht hat etwas anderes den fehlenden atmosphärischen Kohlenstoff gespeichert.

Der Analyse zufolge könnte ein Teil des Kohlenstoffs in anderen Mineralien gebunden sein, beispielsweise in Oxalaten, die Kohlenstoff und Sauerstoff in einer anderen Struktur speichern als Karbonate. Die Hypothese basiert auf den Temperaturen, bei denen einige Proben innerhalb der Marsprobenanalyse Kohlendioxid freisetzten (zu niedrig für Karbonate, aber genau richtig für Oxalate) und auf anderen Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenverhältnissen als die Wissenschaftler sie in Karbonaten beobachten. Oxalat ist der am häufigsten vorkommende Typ organischer Mineralien, der von Pflanzen auf der Erde produziert wird. Oxalat kann jedoch auch ohne Lebewesen entstehen.

Carbonat-Molekülmodell

Eine Möglichkeit besteht in der Wechselwirkung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre mit Oberflächenmineralien, Wasser und Sonnenlicht, einem Prozess, der als abiotische Photosynthese bekannt ist. Diese chemische Zusammensetzung ist auf der Erde, die eine Heimat für reiches Leben ist, nur schwer zu finden. Das Forschungsteam hofft jedoch, die abiotische Photosynthese im Labor nachzubilden und so herauszufinden, ob sie tatsächlich für die im Gale-Krater beobachtete Kohlenstoffchemie verantwortlich ist. Auf der Erde hat die abiotische Photosynthese möglicherweise den Weg für die Photosynthese in einigen der frühesten mikroskopischen Lebensformen geebnet, weshalb die Entdeckung der Photosynthese auf anderen Planeten für Astrobiologen von Interesse wäre.

Selbst wenn sich herausstellen sollte, dass durch die abiotische Photosynthese ein Teil des atmosphärischen Kohlenstoffs im Gestein des Gale-Kraters gebunden wurde, würden die Forscher gerne Boden und Staub aus verschiedenen Teilen des Mars untersuchen, um zu sehen, ob die Ergebnisse im Gale-Krater ein globales Bild des Mars widerspiegeln. Vielleicht ergibt sich eines Tages die Gelegenheit dazu: Der Perseverance Rover der NASA soll zwischen Juli und August 2020 zum Mars starten und im Jezero-Krater auf dem Mars Proben sammeln, um sie möglicherweise in Labore auf der Erde zurückzubringen.

Bo Ke Yuan | Forschung/Von: NASA Goddard Space Flight Center

Die Studie wurde in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht

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