Durch die Untersuchung der chemischen Elemente auf dem heutigen Mars, inklusive Kohlenstoff und Sauerstoff, können Wissenschaftler zurückblicken, um die Geschichte eines Planeten zu rekonstruieren, der einst die Bedingungen besaß, die für die Unterstützung von Leben notwendig sind.
Das Zusammensetzen dieser Geschichte – Element für Element – aus einer Entfernung von rund 225 Millionen Kilometern ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Aber Wissenschaftler lassen sich nicht leicht abschrecken. Orbiter und Rover auf dem Mars haben dank Hinweisen wie trockenen Flussbetten, frühzeitlichen Küstenlinien und salzhaltiger Oberflächenzusammensetzung bestätigt, dass der Planet einst flüssiges Wasser besaß.
Mit dem NASA-Rover Curiosity haben Wissenschaftler Belege für langlebige Seen gefunden. Sie haben auch nach organischen Komponenten oder den chemischen Bausteinen des Lebens gebohrt. Die Kombination aus flüssigem Wasser und organischen Bestandteilen überzeugt die Forscher, auf dem Mars weiterhin nach Anzeichen für vergangenes oder präsentes Leben zu suchen.
Trotz der bislang gefundenen verlockenden Hinweise steht das Wissen der Forscher über die Geschichte des Mars erst am Anfang. Mehrere wichtige Fragen werden debattiert. Eine Frage lautet: War die frühzeitliche Marsatmosphäre über die für die Entwicklung von Leben notwendige Zeitspanne hinweg dicht genug, um den Planeten warm und damit feucht zu halten? Und sind die organischen Bestandteile Anzeichen für Leben oder für chemische Prozesse, die ablaufen, wenn das Marsgestein mit Wasser und Sonnenlicht interagiert?
In einem kürzlichen Bericht in Nature Astronomy über ein mehrjähriges Experiment, das im Chemielabor (Sample Analysis at Mars, SAM) an Bord des Curiosity-Rovers durchgeführt wurde, bietet ein Forschungsteam Einblicke, um diese Fragen zu beantworten. Das Team stellte fest, dass sich bestimmte Minerale in Gesteinen des Gale-Kraters in einem eisbedeckten See gebildet haben könnten. Diese Minerale könnten sich während einer Kaltphase zwischen zwei wärmeren Perioden gebildet haben, oder nachdem der Mars den Großteil seiner Atmosphäre verlor und permanent kalt wurde.
Der Gale-Krater hat die Größe von Connecticut und Rhode Island zusammen. Er wurde als Landestelle für Curiosity ausgewählt, weil er Anzeichen für Wasser in der Vergangenheit zeigt, darunter Tonminerale, die bei der Konservierung frühzeitlicher organischer Moleküle helfen. Bei der Erforschung der Basis des Mount Sharp, einem Berg im Zentrum des Kraters, fand Curiosity tatsächlich eine 304 Meter dicke Sedimentschicht, die als Schlamm in frühen Seen abgelagert wurde. Für die Ablagerung so vieler Sedimente muss eine unglaubliche Menge Wasser in diese Seen geflossen sein, und zwar über zig Millionen warme und feuchte Jahre hinweg.
Aber einige geologische Strukturen in dem Krater deuten auch auf eine Vergangenheit mit kalten, eisigen Bedingungen. „An einem Punkt müssen die Oberflächenbedingungen auf dem Mars einen Übergang von warm und feucht zu kalt und trocken erfahren haben, aber wann und wie genau der Übergang stattfand, ist noch ein Rätsel“, sagte Heather Franz, eine Geochemikerin der NASA am Goddard Space Flight Center in Greenbelt (Maryland).
Franz leitete die SAM-Studie und betont, dass Faktoren wie Veränderungen der Neigung und die Intensität der vulkanischen Aktivität eine Schwankung des Marsklimas zwischen warm und kalt hervorgerufen haben könnten. Diese Theorie wird durch chemische und mineralogische Veränderungen des Marsgesteins untermauert, die darauf hindeuten, dass manche Schichten in kälteren Umgebungen entstanden und andere in wärmeren.
Die von Curiosity gesammelten Daten sprechen Franz zufolge in jedem Fall dafür, dass das Team Belege für Klimaveränderungen auf dem Mars sieht, die in dem Gestein festgehalten wurden.
Kohlenstoff und Sauerstoff spielen die Hauptrolle
Franz‘ Team fand Belege für eine kalte, frühzeitliche Umgebung, nachdem das SAM-Labor die Gase Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff aus 13 Staub- und Bodenproben extrahiert hatte. Curiosity sammelte diese Proben im Verlauf von fünf Erdjahren.
Kohlenstoffdioxid ist ein Molekül, in dem ein Kohlenstoffatom an zwei Sauerstoffatome gebunden ist, wobei der Kohlenstoff als Hauptzeuge im Fall des rätselhaften Klimas auf dem Mars fungiert. Dieses einfache und doch flüchtige Element ist bei der Suche nach Leben jenseits der Erde so entscheidend wie Wasser. Auf der Erde strömt Kohlenstoff stetig durch die Luft, das Wasser und die Oberfläche. Der Kreislauf ist sehr gut verstanden und deutet auf Leben hin. Beispielsweise absorbieren Pflanzen Kohlenstoff in der Form von Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre. Im Gegenzug produzieren sie Sauerstoff, den Menschen und die meisten anderen Lebensformen zum Leben brauchen. Der Prozess endet mit der Freisetzung von Kohlenstoffdioxid zurück in die Luft oder beim Tod der Lebensformen in den Boden.
Wissenschaftler sehen, dass es auch auf dem Mars einen Kohlenstoffkreislauf gibt, und sie arbeiten daran, ihn zu verstehen. Mit wenig Wasser oder Leben auf dem Roten Planeten seit mindestens den letzten drei Milliarden Jahren unterscheidet sich der Kohlenstoffkreislauf jedoch sehr von dem auf der Erde.
„Trotzdem läuft der Kohlenstoffkreislauf immer noch ab und ist immer noch wichtig, weil er nicht nur hilft, Informationen über das frühzeitliche Klima auf dem Mars zu enthüllen“, sagte Paul Mahaffy, der leitende Wissenschaftler des SAM-Labors und Direktor der Solar System Exploration Division am Goddard Space Flight Center. „Er zeigt uns auch, dass der Mars ein dynamischer Planet ist, mit Elementen, die die Bausteine für Leben sind, wie wir es kennen.“
Die Gase sprechen für eine Ruheperiode
Nachdem Curiosity Gesteins- und Staubproben in das SAM-Labor befördert hatte, heizte das Labor jede Probe auf fast 900 Grad Celsius auf, um die Gase darin freizusetzen. Durch die Betrachtung der Temperaturen, bei denen der Kohlenstoff und der Sauerstoff freigesetzt wurden, konnten die Forscher sagen, aus welcher Art von Mineralen die Gase stammten. Diese Information hilft ihnen zu verstehen, wie der Kohlenstoffkreislauf auf dem Mars funktioniert.
Verschiedene Studien haben darauf hingewiesen, dass die frühe Atmosphäre des Mars, hauptsächlich aus Kohlenstoffdioxid bestehend, dichter gewesen sein könnte als die heutige Erdatmosphäre. Der Großteil davon ging in den Weltraum verloren, aber ein Teil könnte in Gesteinen auf der Planetenoberfläche gespeichert sein, insbesondere in der Form von Karbonaten, also Mineralen aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Auf der Erde werden Karbonate produziert, wenn Kohlenstoffdioxid aus der Luft in den Ozeanen und anderen Wasserkörpern absorbiert und dann in Gestein mineralisiert wird. Wissenschaftler vermuten, dass derselbe Prozess auf dem Mars stattfindet und dass er helfen könnte zu erklären, was mit einem Teil der Marsatmosphäre geschah. Dennoch haben die Marsmissionen bislang nicht genug Karbonate in der Oberfläche gefunden, um eine dichte Atmosphäre zu unterstützen.
Die wenigen von SAM registrierten Karbonate und die darin gespeicherten Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope offenbarten trotzdem etwas Interessantes über das Marsklima. Isotope sind Versionen eines Elements, die unterschiedliche Massen aufweisen. Weil verschiedene chemische Prozesse von der Gesteinsbildung bis hin zu biologischen Aktivitäten diese Isotope in unterschiedlichen Anteilen nutzen, liefern die Verhältnisse von schweren zu leichten Isotopen Anhaltspunkte darüber, wie das Gestein entstand.
In manchen der von SAM gefundenen Karbonate bemerkten Wissenschaftler, dass die Sauerstoffisotope leichter waren als jene in der Marsatmosphäre. Das spricht dafür, dass die Karbonate nicht vor langer Zeit aus atmosphärischem Kohlenstoffdioxid in einem See absorbiert wurden. Sonst wären die Sauerstoffisotope in dem Gestein etwas schwerer als jene in der Luft.
Obwohl es möglich ist, dass die Karbonate sehr früh in der Geschichte des Mars entstanden, als die atmosphärische Zusammensetzung etwas anders war als heute, vermuten Franz und ihre Kollegen, dass die Karbonate wahrscheinlicher in einem zufrierenden See gebildet wurden. In diesem Szenario könnte das Eis schwere Sauerstoffisotope aufgenommen und die leichtesten zurückgelassen haben, aus denen später die Karbonate entstanden. Andere Forscher der Curiosity-Mission haben auch Hinweise dafür präsentiert, dass im Gale-Krater eisbedeckte Seen existiert haben könnten.
Wo ist der ganze Kohlenstoff?
Die geringe Menge an Karbonaten auf dem Mars ist rätselhaft. Wenn es im Gale-Krater nicht viel dieser Minerale gibt, war die frühzeitliche Atmosphäre vielleicht dünner als vorhergesagt. Oder vielleicht speichert etwas Anderes den fehlenden atmosphärischen Kohlenstoff.
Basierend auf ihrer Analyse vermuten Franz und ihre Kollegen, dass ein Teil des Kohlenstoffs in anderen Mineralen gebunden sein könnte, die Kohlenstoff und Sauerstoff in einer anderen Struktur speichern als Karbonate, beispielsweise Oxalate. Ihre Hypothese stützt sich auf die Temperaturen, bei denen in manchen SAM-Proben Kohlenstoffdioxid freigesetzt wurde – zu niedrig für Karbonate, aber genau richtig für Oxalate – sowie auf die anderen Verhältnisse der Kohlenstoff- und Sauerstoffisotope, als die in den Karbonaten festgestellten.
Oxalate sind der häufigste organische Mineraltyp, der von Pflanzen auf der Erde produziert wird. Aber Oxalate können auch ohne biologische Prozesse entstehen. Eine Möglichkeit ist die Interaktion von atmosphärischem Kohlenstoffdioxid mit Oberflächenmineralen, Wasser und Sonnenlicht – ein Prozess, der als abiotische Photosynthese bezeichnet wird. Dieser chemische Prozess ist auf der Erde schwer zu finden, weil es hier viel Leben gibt. Aber Franz‘ Team hofft, die abiotische Photosynthese im Labor nachzubilden, um herauszufinden, ob sie tatsächlich für die Kohlenstoffchemie im Gale-Krater verantwortlich sein könnte.
Auf der Erde könnte die abiotische Photosynthese den Weg für die Photosynthese bei einigen der ersten mikroskopischen Lebensformen geebnet haben, weshalb der Nachweis auf anderen Planeten für Astrobiologen interessant ist.
Sogar wenn sich herausstellt, dass die abiotische Photosynthese einen Teil des Kohlenstoffs aus der Atmosphäre in Gestein am Gale-Krater einschloss, würden Franz und ihre Kollegen gerne Boden- und Staubproben aus verschiedenen Regionen auf dem Mars untersuchen, um zu verstehen, ob ihre Ergebnisse des Gale-Kraters ein globales Bild repräsentieren. Eines Tages könnten sie eine Gelegenheit bekommen, das zu tun. Der Mars-Rover Perseverance, dessen Start zum Mars zwischen Juli und August 2020 geplant ist, soll Gesteinsproben im Jezero-Krater für den möglichen Rücktransport zur Erde sammeln.
(THK)
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