Den Ursprüngen organischer Materie in Marssedimenten auf der Spur

Obwohl der Mars bisher eine karge, staubige Landschaft ohne Lebenszeichen darstellt, deuten seine geologischen Merkmale wie Deltas, Seebetten und Flusstäler stark auf eine Vergangenheit hin, in der einst reichlich Wasser auf seiner Oberfläche floss. Um diese Möglichkeit zu erkunden, untersuchen Wissenschaftler Sedimente, die in der Nähe dieser Formationen erhalten geblieben sind. Die Zusammensetzung dieser Sedimente enthält Hinweise auf die frühen Umweltbedingungen, die Prozesse, die den Planeten im Laufe der Zeit geformt haben, und sogar mögliche Anzeichen früheren Lebens.

In einer solchen Analyse enthüllten Sedimente, die vom Rover Curiosity aus dem Gale-Krater gesammelt wurden, bei dem es sich vermutlich um einen alten See handelt, der vor etwa 3,8 Milliarden Jahren durch einen Asteroideneinschlag entstand, organisches Material. Diese organische Substanz wies jedoch im Vergleich zu den Kohlenstoff-12-Isotopen (12C) im Vergleich zu dem, was auf der Erde vorkommt, eine deutlich geringere Menge des Kohlenstoff-13-Isotops (13C) auf, was auf unterschiedliche Prozesse der Bildung organischer Materie auf dem Mars schließen lässt.

Nun wurde eine Studie in der Fachzeitschrift veröffentlicht Naturgeowissenschaften am 9. Mai 2024 verdeutlicht diese Diskrepanz. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Yuichiro Ueno vom Tokyo Institute of Technology und Professor Matthew Johnson von der Universität Kopenhagen fand heraus, dass die Photodissoziation von Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre zu Kohlenmonoxid (CO) und die anschließende Reduktion zu organischer Substanz führt mit abgereichertem 13C-Gehalt.

„Bei der Messung des stabilen Isotopenverhältnisses zwischen 13C und 12C weist die organische Substanz des Mars eine 13C-Häufigkeit von 0,92 % bis 0,99 % des Kohlenstoffs auf, aus dem sie besteht. Dies ist im Vergleich zur sedimentären organischen Substanz der Erde, die etwa 1,04 % beträgt, extrem niedrig. und atmosphärisches CO2, etwa 1,07 %, die beide biologische Überreste sind und nicht mit der organischen Substanz in Meteoriten vergleichbar sind, die etwa 1,05 % ausmacht“, erklärt Ueno.

Der frühe Mars hatte eine CO2-reiche Atmosphäre, die sowohl 13C- als auch 12C-Isotope enthielt. Die Forscher simulierten in Laborexperimenten verschiedene Bedingungen der Zusammensetzung und Temperatur der Marsatmosphäre. Sie fanden heraus, dass 12CO2, wenn es solarem ultraviolettem (UV)-Licht ausgesetzt wird, vorzugsweise UV-Strahlung absorbiert, was zu seiner Dissoziation in an 13C abgereichertes CO führt und an 13C angereichertes CO2 zurücklässt.

Diese Isotopenfraktionierung (Trennung von Isotopen) wird auch in den oberen Atmosphären von Mars und Erde beobachtet, wo die UV-Strahlung der Sonne dazu führt, dass CO2 in CO mit abgereichertem 13C-Gehalt dissoziiert. In einer reduzierenden Marsatmosphäre wandelt sich CO in einfache organische Verbindungen wie Formaldehyd und Carbonsäuren um.

Während der frühen Marszeit, als die Oberflächentemperaturen nahe am Gefrierpunkt von Wasser lagen und 300 K (27 °C) nicht überstiegen, könnten sich diese Verbindungen im Wasser gelöst und in Sedimenten abgelagert haben.

Mithilfe von Modellrechnungen stellten die Forscher fest, dass in einer Atmosphäre mit einem CO2-zu-CO-Verhältnis von 90:10 eine 20-prozentige Umwandlung von CO2 zu CO zu sedimentärer organischer Substanz mit δ13CVPDB-Werten von -135‰ führen würde. Außerdem würde das verbleibende CO2 mit δ13CVPDB-Werten von +20‰ mit 13C angereichert. Diese Werte stimmen weitgehend mit denen überein, die in Sedimenten beobachtet wurden, die vom Rover Curiosity analysiert und anhand eines Marsmeteoriten geschätzt wurden. Dieser Befund deutet darauf hin, dass eher ein atmosphärischer als ein biologischer Prozess die Hauptquelle für die Bildung organischer Materie auf dem frühen Mars ist.

„Wenn die Schätzung in dieser Forschung richtig ist, könnte eine unerwartete Menge an organischem Material in Marssedimenten vorhanden sein. Dies deutet darauf hin, dass zukünftige Erkundungen des Mars große Mengen an organischem Material aufdecken könnten“, sagt Ueno.