由美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的朗尼·谢赫曼设计 这幅插图描绘了一个部分填满火星盖尔陨石坑的水湖
它会被陨石坑北部边缘的融雪径流填满
美国宇航局的好奇号探测器在盖尔的沉积模式中发现的古代溪流、三角洲和湖泊的证据表明，陨石坑在30多亿年前就有一个这样的湖泊，在数千万年的时间里经历了多次充填和干燥
学分:美国航天局/JPL-加州理工学院/欧空局/德国航天中心/柏林大学/MSSS 通过研究今天火星上的化学元素——包括碳和氧——科学家们可以追溯到拼凑一个曾经拥有维持生命所必需的条件的星球的历史
从大约1.4亿英里(2.25亿公里)之外，一点一点地编织这个故事是一个艰苦的过程
但是科学家不是那种容易被吓倒的类型
火星上的轨道飞行器和漫游者已经证实，由于线索包括干涸的河床、古老的海岸线和含盐的表面化学物质，火星曾经有液态水
利用美国国家航空航天局的好奇号探测器，科学家们发现了长寿湖泊的证据
他们还挖掘出了有机化合物，或者生命的化学构件
液态水和有机化合物的结合迫使科学家继续在火星上寻找过去或现在的生命迹象
尽管到目前为止发现了诱人的证据，科学家对火星历史的理解仍在展开，几个主要问题仍有待讨论
首先，古代火星大气是否足够厚，足以让地球保持温暖，从而保持湿润，维持生命萌芽和孕育所需的时间？有机化合物:它们是生命的迹象吗？还是火星岩石与水和阳光相互作用时发生的化学反应的迹象？ 在《自然天文学》最近的一份报告中，一组科学家提供了一些见解来帮助回答这些问题。该报告是在好奇号腹部的化学实验室进行的一项为期多年的实验，名为火星样本分析
研究小组发现盖尔环形山岩石中的某些矿物质可能是在一个被冰覆盖的湖中形成的
这些矿物质可能是在温暖时期之间的寒冷阶段形成的，或者是在火星失去大部分大气并开始永久变冷之后形成的
盖尔陨石坑的大小相当于康涅狄格州和罗德岛的总和
它被选为好奇号2012年的着陆点，因为它有过去水的迹象，包括可能有助于捕捉和保存古代有机分子的粘土矿物
事实上，在探索陨石坑中心的一座名为夏普山的山的底部时，好奇号发现了一层1000英尺(304米)厚的沉积物，这是古代湖泊中沉积的泥浆
一些科学家说，为了形成如此多的沉积物，在数百万到数千万个温暖潮湿的年份里，会有大量的水流入这些湖泊
但是陨石坑中的一些地质特征也暗示了过去寒冷、冰冻的环境
马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的地球化学家希瑟·弗朗茨说:“在某个时候，火星的表面环境一定经历了从温暖潮湿到寒冷干燥的转变，就像现在这样，但具体是何时以及如何发生的仍然是个谜。”
领导萨姆研究的弗朗兹指出，火星倾角的变化和火山活动的数量等因素可能导致火星气候随着时间的推移在温暖和寒冷之间交替变化
这一观点得到了火星岩石化学和矿物学变化的支持，这些变化表明一些层形成于较冷的环境，而另一些层形成于较暖的环境
弗兰兹说，无论如何，“好奇号”目前收集的一系列数据表明，该小组正在观察岩石中记录的火星气候变化的证据
这幅图描绘了碳在火星内部、表面岩石、极冠、水和大气之间交换的路径，也描绘了碳从大气中流失的机制
信用:兰斯·林田/加州理工 火星气候故事中的碳氧星 弗朗兹的团队在萨姆实验室从13个灰尘和岩石样本中提取气体二氧化碳或CO2和氧气后，发现了寒冷古代环境的证据
好奇号在五个地球年期间收集了这些样本
火星年)
二氧化碳是一个由一个碳原子和两个氧原子结合而成的分子，碳是神秘的火星气候的关键见证
事实上，这种简单而多样的元素就像水一样，对寻找其他地方的生命至关重要
在地球上，碳以一种众所周知的依赖生命的循环方式不断地在空气、水和表面流动
例如，植物以二氧化碳的形式从大气中吸收碳
作为回报，它们产生氧气，人类和大多数其他生命形式利用氧气进行呼吸，这一过程以碳释放到空气中结束，再次通过二氧化碳释放到空气中，或者在生命形式死亡和被掩埋时释放到地壳中
科学家发现火星上也有碳循环，他们正在努力理解它
至少在过去的30亿年里，这颗红色星球上几乎没有水，也没有丰富的表面生命，因此碳循环与地球大不相同
“尽管如此，碳循环仍然在发生，仍然很重要，因为它不仅有助于揭示火星古代气候的信息，”保罗·马海菲说，他是萨姆的首席研究员，也是美国宇航局戈达德太阳系探索部主任
“这也向我们展示了火星是一颗动态的行星，它循环着我们所知的构成生命的元素
" 这些气体为寒冷时期提供了一个理由 好奇号将岩石和灰尘样本送入萨姆后，实验室将每个样本加热到接近1650华氏度(900摄氏度)，以释放其中的气体
通过观察释放二氧化碳和氧气的烤箱温度，科学家们可以知道这些气体来自哪种矿物
这类信息有助于他们理解碳是如何在火星上循环的
各种研究表明，火星的古代大气，主要包含二氧化碳，可能比今天的地球厚
大部分已经消失在太空中，但有些可能储存在地球表面的岩石中，特别是以碳酸盐的形式，碳酸盐是由碳和氧组成的矿物质
在地球上，当空气中的二氧化碳被海洋和其他水体吸收，然后矿化为岩石时，就会产生碳酸盐
科学家认为同样的过程也发生在火星上，这有助于解释火星大气的一些变化
然而，火星任务还没有在表面找到足够的碳酸盐来支撑厚厚的大气层
这个动画图像显示了一个碳酸盐分子的三维模型，旁边是一个草酸盐分子的三维模型
碳酸盐由一个碳原子和三个氧原子结合而成
草酸盐由两个碳原子和四个氧原子结合而成
荣誉:詹姆斯·特拉里/美国国家航空航天局/戈达德太空飞行中心 尽管如此，萨姆探测到的少量碳酸盐通过储存在其中的碳和氧同位素揭示了火星气候的一些有趣之处
同位素是每种元素的不同版本，质量不同
因为不同的化学过程，从岩石形成到生物活动，以不同的比例使用这些同位素，岩石中重同位素与轻同位素的比例为科学家提供了岩石如何形成的线索
在萨姆发现的一些碳酸盐中，科学家注意到氧同位素比火星大气中的轻
这表明碳酸盐并不是很久以前由大气中的二氧化碳吸收到湖泊中形成的
如果有，岩石中的氧同位素会比空气中的略重
虽然碳酸盐可能在火星历史的早期就形成了，当时的大气成分与今天略有不同，但弗朗兹和她的同事们认为碳酸盐更有可能形成于冰冻的湖泊中
在这种情况下，冰可能吸收了重氧同位素，留下最轻的同位素形成碳酸盐
其他好奇号科学家也提供了证据，表明盖尔环形山中可能存在冰封湖泊
那么所有的碳在哪里？ 科学家说，火星上碳酸盐的低丰度令人困惑
如果盖尔环形山上没有很多这样的矿物，也许早期的大气比预测的要稀薄
或者是其他什么东西在储存缺失的大气碳
基于他们的分析，弗朗兹和她的同事们提出，一些碳可能被封存在其他矿物质中，比如草酸盐，它以不同于碳酸盐的结构储存碳和氧
他们的假设是基于萨姆内部一些样品释放CO2的温度——对于碳酸盐来说太低了，但对于草酸盐来说正好合适——以及与科学家在碳酸盐中看到的不同的碳氧同位素比率
草酸盐分子旁边的碳酸盐分子模型 草酸盐是地球上植物产生的最常见的有机矿物质
但是草酸盐也可以在没有生物学的情况下产生
一种方法是通过大气CO2与表面矿物质、水和阳光的相互作用，这一过程被称为非生物光合作用
这种类型的化学物质在地球上很难找到，因为这里有丰富的生命，但弗朗兹的团队希望在实验室里创造非生物光合作用，以确定它是否真的能对他们在盖尔环形山看到的碳化学物质负责
在地球上，非生物光合作用可能为一些最早的微观生命形式的光合作用铺平了道路，这就是为什么在其他星球上发现它会引起天体生物学家的兴趣
即使事实证明非生物光合作用将大气中的一些碳锁定在盖尔陨石坑的岩石中，弗朗兹和她的同事们也想研究火星不同地方的土壤和灰尘，以了解他们在盖尔陨石坑的结果是否反映了一幅全球图景
他们也许有一天会有机会这样做
美国国家航空航天局的“毅力”火星探测器将于2020年7月至8月间发射到火星，计划在杰零陨石坑收集样本，以便可能返回地球实验室
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