Oddech Czerwonej Planety

Żeby zrozumieć Marsa, spójrzmy najpierw na Ziemię. Nasza atmosfera obecnie składa się w 78 proc. z azotu, 21 proc. z tlenu, a pozostały 1 proc. to argon i inne gazy, w tym para wodna i dwutlenek węgla. Jednak nie zawsze tak było. W ciągu 4,5 mld lat przeszła co najmniej trzy całkowite metamorfozy. A tlen, którym oddychamy, pojawił się wskutek ostatniej z nich.

Gwiezdna atmosfera

Na samym początku istnienia Ziemi atmosfera składała się niemal wyłącznie z tego samego pierwiastka, co Słońce – z wodoru. Pierwotna, „gwiezdna” atmosfera powstała, gdy resztki gazu, które z różnych powodów nie trafiły do naszej gwiazdy, zostały grawitacyjnie ściągnięte w pobliże poszczególnych planet. Gazowe giganty, jak Jowisz i Saturn, zdołały zachować większość pierwotnej atmosfery aż do dzisiaj, ale mniejsze planety, jak Ziemia, Wenus czy Mars, szybko ją straciły. Cząsteczki wodoru są bardzo lekkie, więc stosunkowo niewielka grawitacja tych planet nie mogła ich utrzymać. Po prostu uleciały w przestrzeń kosmiczną.

Nie oznacza to jednak, że powłoka gazowa wokół Ziemi czy Marsa całkowicie zanikła. Wręcz przeciwnie – wiele wskazuje na to, że stała się gęstsza. To drugie wcielenie ziemskiej i marsjańskiej atmosfery zostało ukształtowane przez dwa zjawiska. Po pierwsze, przez intensywną aktywność wulkaniczną uwalniającą duże ilości gazów takich jak dwutlenek węgla, oraz po drugie, za sprawą bombardowania planet przez asteroidy i komety przynoszące zamarznięte gazy z dalekich rubieży układu słonecznego.

W zależności od tego, jaki był skład materiału, z którego powstała dana planeta (a więc jak dużo danych gazów mogło się wydobyć z jej wnętrza) oraz co w nią uderzało w ciągu miliardów lat, Ziemia, Wenus i Mars skończyły z atmosferą składającą się w różnych proporcjach z dwutlenku węgla, metanu oraz azotu. Atmosfera Wenus od tego czasu pozostała zasadniczo taka sama.

Ostatnia duża zmiana ziemskiej atmosfery była wynikiem pojawienia się na naszej planecie życia – a właściwie organizmów zdolnych do fotosyntezy.

Wielka katastrofa tlenowa

Najwcześniejsze organizmy wykorzystywały energię chemiczną do podtrzymania swoich procesów życiowych, czyli „zjadały” niektóre minerały. Organizmy fotosyntetyzujące wykorzystują energię słoneczną, a jako produkt uboczny tego procesu wytwarzają tlen. Skamieniałości świadczące o obecności pierwszych organizmów fotosyntetyzujących – sinic – pochodzą sprzed 2,7 mld lat, a dane geochemiczne sugerują, że organizmy produkujące tlen musiały narodzić się znacznie wcześniej – może nawet 3,5 mld lat temu. Sinice nadal zresztą żyją na Ziemi – ich intensywne namnażanie powoduje czasem „zakwitanie” zbiorników wodnych, uniemożliwiając nam kąpiele.

W przeszłości sinice żyły sobie przez długi czas na uboczu, powolutku produkując energię i wydzielając tlen do praoceanów. Przez niemal miliard lat pozostawał on jednak właściwie nieodczuwalny. Dlaczego? Otóż łączył się z pierwiastkami rozpuszczonymi w wodzie, głównie z żelazem. Tlen jest niezwykle aktywnym pierwiastkiem, który chętnie łączy się z innymi pierwiastkami, tworząc tlenki. Dlatego właśnie kawałki żelaza tak szybko pokrywają się rdzą; w „wulkaniczno- -kometarnej” atmosferze sprzed 3 mld lat nasze samochody znacznie dłużej opierałyby się korozji. Jeżeli żelazo rozpuszczone w wodzie zetknie się z wolnym tlenem, łączy się z nim, tworząc nierozpuszczalny tlenek żelaza („rdzę”). A ten powoli osiadał na dnie oceanów. Śladem tego procesu są ogromne złoża rdzawo-czerwonych rud żelaza (zwanych wstęgowymi rudami żelazistymi), które nadal się eksploatuje.

Tlen w większych ilościach pojawiał się w atmosferze ok. 2,3 mld lat temu, gdy większość żelaza rozpuszczonego w wodzie została związana w tlenkach. Początkowo w wodzie oceanicznej, z której powoli przesączał się do atmosfery.

Spowodowało to jedną z największych katastrof ekologicznych w historii Ziemi – dla ówczesnych organizmów był niezwykle niebezpieczną trucizną. Niedobitki zdołały, co prawda, przetrwać do naszych czasów, ale tylko tam, gdzie nie groził im kontakt z tlenem atmosferycznym, czyli np. na bagnach.

W okresie od 2,3 do 0,8 mld lat temu poziom tlenu w atmosferze był niewielki; utrzymywał się na poziomie maksymalnie kilku procent. Wynikało to z tego, że tempo produkcji tlenu było równoważone przez wiązanie tego pierwiastka w tlenkach – tylko że tym razem ten proces zachodził przede wszystkim na lądach. Dopiero gdy wszystkie łatwo utlenialne substancje zostały zużyte – ok. 800 mln lat temu, poziom tlenu skoczył w okolice 20 proc. Krótko (w geologicznym tego słowa znaczeniu) później na świecie pojawiły się skomplikowane wielokomórkowe zwierzęta, a w końcu i my, ludzie.

Zmieniony w pustynię

Wróćmy tymczasem na Marsa. W artykule opublikowanym w zeszłym tygodniu w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Geophysical Research Letters” Nina Lanza z Los Alamos National Laboratory ze współpracownikami ogłosiła odnalezienie na Czerwonej Planecie skał niezwykle bogatych w tlenki manganu. Tlenki manganu zachowują się podobnie do tlenków żelaza – tworzą twarde, nierozpuszczalne formy, gdy wchodzą w kontakt z wolnym tlenem. Znalezienie więc takich skał wskazuje, że w pewnym momencie w historii Marsa musiało się tam znajdować sporo tlenu dostępnego do reakcji. A cały proces musiał zajść w dużej ilości wody.

Czy odnalezienie na Czerwonej Planecie tlenków manganu oznacza, że istnieje lub istniało tam życie? Oczywiście organizmy fotosyntetyzujące byłyby całkiem dobrym źródłem tlenu w atmosferze Marsa. Ponieważ (przynajmniej na razie) nie mamy jednak żadnych dobrych dowodów na to, że kiedykolwiek pojawiło się tam życie, musimy sprawdzić, czy nie ma alternatywnego wyjaśnienia, zgodnego ze wszystkim, co już o Marsie wiemy.

Okazuje się, że są co najmniej dwa poten- cjalne wyjaśnienia.

Po pierwsze, niewykluczone, że utlenienie manganu nie przebiegało na skutek „prostego” połączenia manganu i tlenu, ale że zachodziło w bardziej skomplikowany sposób, np. z udziałem nadchloranów. W tym jednak przypadku oczekiwalibyśmy, że w skale, w której znaleziono tlenek manganu, będzie również sporo chloru. Nina Lanza sprawdziła to i okazało się, że chloru jest tam niewiele – a więc nie jest to dobre wyjaśnienie.

Alternatywne wytłumaczenie łączy się z zagadką zniknięcia z Marsa większości wody, która kiedyś płynęła po powierzchni Czerwonej Planety tworząc rzeki, jeziora, a nawet morza. Jednakże w pewnym momencie, ok. 3,5 mld lat temu, płynna woda zniknęła, a Mars stał się czerwoną pustynią, jaką znamy teraz. Ten sam proces, który doprowadził do zniknięcia wody, mógł spowodować czasowe podniesienie poziomu tlenu w atmosferze.

Mechanizm zapewne wyglądał w ten sposób: promieniowanie słoneczne rozbijało parę wodną w atmosferze na wodór i tlen. Wodór szybko ulatywał w przestrzeń kosmiczną – podobnie jak za czasów pierwotnej „gwiezdnej” atmosfery. Powodowało to bezpowrotną utratę wody z powierzchni planety. Tlen, jako znacznie cięższa cząsteczka, zostawał w atmosferze. Po jakimś czasie łączył się z minerałami na powierzchni, nadając Marsowi czerwony kolor.

O powyższym procesie wiedzieliśmy już wcześniej. Jednakże za sprawą nowego odkrycia okazało się, że poziom tlenu w marsjańskiej atmosferze był wyższy, niż poprzednio sądziliśmy. Żeby bowiem powstały tlenki manganu, potrzeba większej ilości tlenu niż w przypadku tlenków żelaza. Wysoki poziom tlenu w atmosferze sugeruje, że proces utraty wodoru (a co za tym idzie, uwalniania tlenu do atmosfery) z Czerwonej Planety zachodził prawdopodobnie całkiem szybko. Jeżeli wyniki badań się potwierdzą, będzie to oznaczało, że Mars zmienił się z planety pełnej wody w suchą pustynię znacznie prędzej, niż nam się wcześniej wydawało.

Na razie jednak jesteśmy dopiero na samym początku rozwiązywania tej zagadki. ©

Dr ANNA ŁOSIAK jest geologiem planetarnym, pracuje w Instytucie Nauk Geologicznych PAN. Absolwentka UW i Michigan State University oraz stypendystka Fulbrighta. Doktoryzowała się na Uniwersytecie w Wiedniu.

CIEKAWOŚĆ MARSA

CURIOSITY (ang. „Ciekawość”), marsjański łazik NASA, to w istocie autonomiczne laboratorium na sześciu kołach. Ma rozmiary małego SUV-a, waży prawie tonę, a na pokładzie dźwiga największy i najbardziej zaawansowany zestaw instrumentów badawczych, jaki wysłano na Czerwoną Planetę w historii jej eksploracji. Służą one zbadaniu, czy tamtejsze warunki mogły kiedykolwiek pozwolić na rozwój mikroorganizmów. Słowem: czy na Marsie mogło istnieć życie.

Dowody będą się kryły w glebie i skałach, w których składzie i strukturze odciskał się zapis warunków panujących na planecie. Dlatego Curiosity potrafi np. robić odwierty, podnosić próbki robotycznym ramieniem, podgrzewać je w specjalnym piecu lub wiązką lasera i analizować pył oraz powstały gaz w poszukiwaniu substancji organicznych, bombardować próbki neutronami. I oczywiście robić zdjęcia.

Drugim celem Curiosity jest ocena marsjańskich warunków na potrzeby przyszłej misji załogowej.
Od czasu brawurowego lądowania w kraterze Gale 6 sierpnia 2012 r., Curiosity odkrył m.in., że na Marsie obecne są „cegiełki życia”: siarka, azot, tlen, fosfor i węgiel, a co więcej – metan i inne związki organiczne; że woda obecna kiedyś na planecie, mogła być wręcz zdatna do picia i że było jej więcej, niż dotąd sądzono; oraz że atmosfera planety była bogata w tlen.

MK
Źródła: mars.nasa.gov, space.com