NASA:s Curiosity-rover klättrar på ett skiktat marsberg och hittar bevis på hur forntida sjöar och våta underjordiska miljöer förändrades, miljarder år sedan, skapa mer varierande kemiska miljöer som påverkade deras gynnsamhet för mikrobiellt liv.

Hematit, lermineraler och bor är bland de ingredienser som visat sig vara rikligare i lager längre uppför, jämfört med lägre, äldre skikt som undersökts tidigare i uppdraget. Forskare diskuterar vad dessa och andra variationer berättar om förhållanden under vilka sediment ursprungligen deponerades, och om hur grundvatten som rörde sig senare genom de ackumulerade lagren förändrade och transporterade ingredienser.

Effekterna av denna grundvattenrörelse är tydligast i mineralådror. Ådrorna bildades där sprickor i lagren fylldes med kemikalier som hade lösts upp i grundvattnet. Vattnet med dess lösta innehåll samverkade också med stenmatrisen som omgav venerna, förändrar kemin både i berget och i vattnet.

"Det finns så mycket variation i sammansättningen på olika höjder, vi har fått en jackpott, sade John Grotzinger, från Caltech i Pasadena, Kalifornien. Han och andra medlemmar av Curiositys vetenskapsteam presenterade en uppdatering om uppdraget på tisdag, 13 december, i San Francisco under American Geophysical Unions höstmöte. När rovern undersöker högre, yngre lager, forskare är imponerade av komplexiteten i sjömiljöerna när lerbärande sediment avsattes, och även komplexiteten i grundvatteninteraktionerna efter att sedimenten begravdes.

"Kemisk reaktor"

"En sedimentbassäng som denna är en kemisk reaktor, ", sa Grotzinger. "Element ordnas om. Nya mineraler bildas och gamla löses upp. Elektroner omfördelas. På jorden, dessa reaktioner stödjer livet."

Huruvida marsliv någonsin har funnits är fortfarande okänt. Inga övertygande bevis för det har hittats. När Curiosity landade i Mars Gale Crater 2012, uppdragets huvudmål var att avgöra om området någonsin erbjöd en miljö som var gynnsam för mikrober.

Kraterns främsta dragningskraft för forskare är geologiska skiktning exponerad i den nedre delen av dess centrala kulle, Mount Sharp. Dessa exponeringar ger tillgång till stenar som har ett register över miljöförhållanden från många stadier av tidig Mars historia, varje lager yngre än det under. Uppdraget lyckades under sitt första år, upptäckte att en gammal sjömiljö på Mars hade alla viktiga kemiska ingredienser som behövs för livet, plus kemisk energi tillgänglig för livet. Nu, Rover klättrar lägre på Mount Sharp för att undersöka hur forntida miljöförhållanden förändrades över tiden.

"Vi är väl inne i de lager som var huvudorsaken till att Gale Crater valdes som landningsplats, " sa Curiosity vice projektforskare Joy Crisp från NASA:s Jet Propulsion Laboratory, i Pasadena, Kalifornien. "Vi använder nu en strategi att borra prover med jämna mellanrum när rover klättrar upp på Mount Sharp. Tidigare valde vi borrmål baserat på varje platss speciella egenskaper. Nu när vi kör kontinuerligt genom bergets tjocka basala lager, en serie borrhål kommer att bygga en komplett bild."

Fyra senaste borrplatser, från "Oudam" i juni till "Sebina" i oktober, är var och en åtskilda cirka 80 fot (cirka 25 meter) från varandra i höjdled. Detta uppförsmönster gör att forskarteamet kan prova allt yngre lager som avslöjar Mount Sharps gamla miljöhistoria.

Föränderliga miljöer

En ledtråd till förändrade forntida förhållanden är mineralet hematit. Den har ersatt mindre oxiderad magnetit eftersom den dominerande järnoxiden i bergarter Curiosity har borrat nyligen, jämfört med platsen där Curiosity först hittade sjöbottensediment. "Båda proverna är lersten avsatt på botten av en sjö, men hematiten kan antyda varmare förhållanden, eller mer interaktion mellan atmosfären och sedimenten, " sa Thomas Bristow från NASA Ames Research Center, Moffett Field, Kalifornien. Han hjälper till att använda laboratorieinstrumentet Chemistry and Mineralogy (CheMin) inuti rovern, som identifierar mineraler i insamlade prover.

Kemisk reaktivitet uppstår på en gradient av kemiska ingrediensers styrka vid donation eller mottagning av elektroner. Överföring av elektroner på grund av denna gradient kan ge energi för livet. En ökning av hematit i förhållande till magnetit indikerar en miljöförändring i riktningen för att dra elektroner starkare, orsakar en högre grad av oxidation i järn.

En annan ingrediens som ökar i de senaste mätningarna av Curiosity är grundämnet bor, som roverns laserskjutande Chemistry and Camera (ChemCam) instrument har upptäckt i mineralvener som huvudsakligen är kalciumsulfat. "Inga tidigare uppdrag har upptäckt bor på Mars, " sa Patrick Gasda från det amerikanska energidepartementets Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, New Mexico. "Vi ser en kraftig ökning av bor i venmål som inspekterats under de senaste månaderna." Instrumentet är ganska känsligt; även på den ökade nivån, bor utgör endast cirka en tiondel av en procent av bergets sammansättning.

"Dynamiskt system"

Bor är känt förknippat med torra platser där mycket vatten har dunstat bort - tänk på boraxen som muleteam en gång drog från Death Valley. Dock, miljökonsekvenserna av den mindre mängd bor som finns av Curiosity är mindre enkla än för ökningen av hematit.

Forskare överväger åtminstone två möjligheter för källan till bor som grundvattnet lämnade i venerna. Kanske bildade avdunstning av en sjö en borhaltig avlagring i ett överliggande lager, ännu inte nått av Curiosity, sedan återupplöste vatten boret och förde det ner genom ett spricknät till äldre lager, där det ackumulerades tillsammans med frakturfyllande venmineraler. Eller kanske förändringar i kemin hos lerbärande avlagringar, såsom framgår av ökad hematit, påverkade hur grundvatten togs upp och släppte av bor i de lokala sedimenten.

"Variationer i dessa mineraler och grundämnen indikerar ett dynamiskt system, ", sade Grotzinger. "De interagerar med grundvatten såväl som ytvatten. Vattnet påverkar lerornas kemi, men vattnets sammansättning förändras också. Vi ser kemisk komplexitet som indikerar en lång, interaktiv historia med vattnet. Ju mer komplicerad kemin är, desto bättre är det för beboeligheten. Bor, hematit och lermineraler understryker rörligheten hos element och elektroner, och det är bra för livet."