Tàu vũ trụ Curiosity của NASA đã thu thập và phân tích các mẫu trầm tích của Sao Hỏa, cho thấy một chất hóa học gợi ý về sự sống cổ xưa trên Hành Tinh Đỏ này. Những phát hiện này, là một trong những bằng chứng về sự tiến triển về sinh học trên Sao Hỏa.
Từ năm 2012, tàu vũ trụ Curiosity đã khám phá miệng núi lửa Gale, một lòng chảo do va chạm thiên thạch được chọn làm mục tiêu bởi cách đây 3 tỷ năm trước từng chứa một đồng bằng châu thổ và một hồ nước, khi Sao Hỏa có khí hậu ôn hòa hơn. Trong khi tìm kiếm bằng chứng về sự sống trước đây trên Sao Hỏa, đội nghiên cứu tàu Curiosity đã phân tích các lớp trầm tích có từ các thời kỳ phong hóa bao gồm cả phép phân tích đồng vị carbon.
Hai đồng vị cacbon bền xuất hiện trong tự nhiên là: cacbon-12 và cacbon-13. Chiếm 98,9% carbon của Trái đất là carbon-12, có 6 proton và 6 neutron trong hạt nhân của nó. Hầu hết tất cả cácbon còn lại trên trái đất là đồng vị cacbon-13, có 7 nơtron. Cứ trong một nghìn tỷ nguyên tử cacbon thì có một phần ba, đồng vị không bền, là cacbon-14, có 8 nơtron. Chu kỳ bán rã phóng xạ của nó là 5.730 năm là cơ sở của phương pháp xác định niên đại mà các nhà khảo cổ học sử dụng để xác định tuổi của các vật chất hữu cơ.
Số lượng cân đối của cacbon-12 và cacbon-13 trong toàn bộ hệ Mặt trời về cơ bản giống với lượng đó trong tinh vân mặt trời nguyên thủy, đám khí và bụi đã tích tụ lại để hình thành Mặt trời và các hành tinh của nó cách đây 4,6 tỷ năm. Trên Trái đất, sự thay đổi tỷ lệ đồng vị carbon xảy ra ở khắp nơi theo nhiều quá trình địa sinh học, được gọi là chu trình carbon, sự trao đổi carbon giữa khí quyển, đá, đất và các nguồn nước.
Đồng vị carbon-12 nhẹ hơn, tạo thành các liên kết hóa học yếu hơn, trải qua các phản ứng hóa học với tốc độ nhanh hơn một chút so với carbon-13, vì vậy nó có nhiều khả năng được hợp thành các vật chất sinh học hơn. Kết quả là, các hợp chất carbon sinh học có chứa lượng carbon-13 tương đối ít hơn so với các hợp chất carbon trong khí quyển hoặc đá.
Carbon đến từ...sự sống?
Nhóm nghiên cứu từ tàu Curiosity, do Christopher H. House (Penn State) đứng đầu, phát hiện ra rằng một số mẫu trầm tích của Miệng núi lửa Gale có lượng carbon-13 so với carbon-12 ít hơn nhiều so với carbon dioxide trong khí quyển sao Hỏa hoặc trong các thiên thạch trên sao Hỏa đã lao xuống Trái đất.
Sự suy giảm cực độ carbon-13 như vậy cũng xảy ra trên Trái đất trong các thành hệ trầm tích phân tầng được gọi là stromatolite. Những tàn tích 2,7 tỷ năm tuổi của một trong những dạng sống sớm nhất này chứa các thảm hóa thạch được tạo ra bởi các vi sinh vật tiêu thụ khí mê-tan (CH 4).
Vào thời điểm hiện tại, chỉ có những dấu vết nhỏ của mêtan trong khí quyển sao Hỏa, được tính thành các phần trên mỗi phần tỷ phần. Nhưng tàu Curiosity và tàu quỹ đạo Mars Express đã phát hiện một số đột biến về nồng độ khí mê-tan, có lẽ khí thoát ra từ các hồ chứa dưới bề mặt đã biến mất nhanh chóng.
Hình ảnh này cho thấy một lỗ khoan khác, được gọi là Highfield, được thực hiện bởi tàu thám hiểm Curiosity của NASA khi nó đang thu thập một mẫu trên Chỏm Vera Rubin ttrong Miệng núi lửa Gale trên sao Hỏa. Bột khoan từ lỗ này được làm giàu carbon-12.
Tranh cãi nổ ra xung quanh nguồn gốc của khí mêtan trên sao Hỏa. Các phản ứng hóa học giữa nước, carbon dioxide và các khoáng chất như olivin có thể đáng tin cậy, nhưng việc được sản sinh ra bởi vi khuẩn vẫn là một khả năng kích thích sự tò mò.
Đối với House, sự suy giảm cực độ carbon-13 có một số cách giải thích, bao gồm hai phản ứng hóa học không liên quan đến sinh học và một phản ứng có thể liên quan đến sự sống của vi sinh vật. Tuy nhiên, tại thời điểm này, cả ba khả năng đều cần được nghiên cứu thêm.
Các kịch bản thay thế
ó thể các vi khuẩn tiêu thụ khí mê-tan trên bề mặt hành tinh đã trao đổi khí mê-tan và cô lập carbon của nó trong các lớp trầm tích. Nhưng không có bằng chứng như thảm vi sinh vật đã hóa thạch để chỉ ra rằng các vi khuẩn tiêu thụ khí mê-tan đã từng có mặt trên sao Hỏa, và bức xạ cực tím mặt trời và xói mòn do gió cuốn đi cũng có khả năng liên kết khí mê-tan với các vật liệu bề mặt sao Hỏa.
Trên thực tế, có thể có nhiều cách giải thích cho các lớp trầm tích cạn kiệt carbon-13 hoàn toàn không liên quan đến khí mêtan. Các nhà điều tra thận trọng trích dẫn hai cơ chế thay thế.
Khi hệ mặt trời quay quanh trung tâm của Dải Ngân hà cứ sau mỗi 230 triệu năm, nó đi qua các đám khí và bụi mỏng manh chứa vật chất với tỷ lệ carbon-12 đến carbon-13 khác với tinh vân mặt trời ban đầu. Những cuộc chạm trán này làm lắng đọng một lượng nhỏ vật chất trên Trái đất, nhưng các nhà địa hóa học đã phát hiện ra dấu vết của những sự trao đổi này trong quá khứ. Để tập trung vào các lớp trầm tích trên sao Hỏa, nhóm nghiên cứu từ tàu Curiosity hình dung bụi vũ trụ đang tích tụ trên bề mặt các sông băng cho đến khi chúng tan chảy, để lại các lớp trầm tích với tỷ lệ đồng vị carbon dị thường. Mặc dù lời giải thích này là hợp lý, nhưng không có bằng chứng nào về các sông băng trong quá khứ ở miệng núi Gale.
Cách thứ hai để tái tạo tỷ lệ đồng vị carbon có thể xảy ra khi bức xạ tia cực tím từ Mặt trời chuyển hóa carbon dioxide và hơi nước trong khí quyển sao Hỏa thành formaldehyde và các hợp chất hữu cơ khác. Trong phòng thí nghiệm, sự biến đổi này đòi hỏi chất xúc tác ngoại lai, vì vậy không có nghĩa là nó xảy ra trên sao Hỏa.
Cả ba khả năng đều chỉ ra một chu trình carbon trên sao Hỏa không giống bất kỳ thứ gì trên Trái đất ngày nay, nhưng chúng ta sẽ cần thêm dữ liệu để xác định kịch bản nào là đúng. Tàu vũ trụ Curiosity tiếp tục thu thập và phân tích các mẫu vật ở miệng núi lửa Gale, và các nhà nghiên cứu đặc biệt muốn sử dụng phương pháp khối phố kế của tàu vũ trụ này đo một chùm khí mêtan trong tương lai để xem liệu tỷ lệ đồng vị carbon của nó có chỉ ra nguồn gốc sinh học hay không.
