En ny studie visar bevis på att forntida Mars förmodligen hade ett gott utbud av kemisk energi för att mikrober skulle trivas under jorden.

"Vi visade, baserat på grundläggande fysik- och kemiberäkningar, att den forntida underytan på Mars sannolikt hade tillräckligt med löst väte för att driva en global biosfär under ytan, sa Jesse Tarnas, en doktorand vid Brown University och huvudförfattare till en studie publicerad i Earth and Planetary Science Letters . "Förhållandena i den här bebodda zonen skulle ha varit liknande platser på jorden där det finns underjordiskt liv."

Jorden är hem för så kallade litotrofa mikrobiella ekosystem under ytan – förkortat SliME. Saknar energi från solljus, dessa underjordiska mikrober får ofta sin energi genom att skala bort elektroner från molekyler i deras omgivande miljö. Upplöst molekylärt väte är en stor elektrondonator och är känd för att driva SLiME på jorden.

Denna nya studie visar att radiolys, en process genom vilken strålning bryter vattenmolekyler till deras beståndsdelar väte och syre, skulle ha skapat massor av väte i den gamla Mars-underytan. Forskarna uppskattar att vätekoncentrationerna i jordskorpan för cirka 4 miljarder år sedan skulle ha varit i intervallet av koncentrationer som upprätthåller rikligt med mikrober på jorden idag.

Fynden betyder inte att liv definitivt existerade på forntida Mars, men de föreslår att om livet verkligen började, underjorden på Mars hade de viktigaste ingredienserna för att stödja den i hundratals miljoner år. Arbetet har också konsekvenser för framtida Mars-utforskning, antyder att områden där den antika underytan är exponerad kan vara bra ställen att leta efter bevis på tidigare liv.

Går under jorden

Sedan upptäckten för decennier sedan av gamla flodkanaler och sjöbäddar på Mars, forskare har retats av möjligheten att den röda planeten en gång kan ha varit värd för liv. Men även om bevis på tidigare vattenaktivitet är omisskännliga, det är inte klart hur mycket av Mars historia som vattnet faktiskt flödade. Toppmoderna klimatmodeller för tidiga Mars producerar temperaturer som sällan når över fryspunkten, vilket tyder på att planetens tidiga våta perioder kan ha varit flyktiga händelser. Det är inte det bästa scenariot för att upprätthålla liv på ytan på lång sikt, och det har några forskare som tror att underytan kan vara en bättre satsning för tidigare liv på mars.

"Frågan blir då:Vad var det för natur med livet under ytan, om det fanns, och var fick den sin energi?" sa Jack Mustard, en professor vid Browns Department of Earth, Miljö- och planetvetenskap och en studiemedförfattare. "Vi vet att radiolys hjälper till att ge energi åt underjordiska mikrober på jorden, så vad Jesse gjorde här var att fortsätta berättelsen om radiolys på Mars."

Forskarna tittade på data från gammastrålningsspektrometern som flyger ombord på NASA:s Mars Odyssey-rymdfarkost. De kartlade överflöd av de radioaktiva grundämnena torium och kalium i Marsskorpan. Baserat på dessa överflöd, de kan härleda överflödet av ett tredje radioaktivt element, uran. Förfallet av dessa tre element ger den strålning som driver den radiolytiska nedbrytningen av vatten. Och eftersom grundämnena sönderfaller i konstant hastighet, forskarna kunde använda de moderna överflöden för att beräkna överflöden för 4 miljarder år sedan. Det gav laget en uppfattning om strålningsflödet som skulle ha varit aktivt för att driva radiolys.

Nästa steg var att uppskatta hur mycket vatten som skulle ha varit tillgängligt för den strålningen att zappa. Geologiska bevis tyder på att det skulle ha funnits mycket grundvatten som bubblade omkring i de porösa klipporna i den gamla Marsskorpan. Forskarna använde mätningar av densiteten hos Marsskorpan för att uppskatta hur mycket porutrymme som skulle ha varit tillgängligt för vatten att fylla.

Till sist, teamet använde geotermiska och klimatmodeller för att avgöra var den söta platsen för potentiellt liv skulle ha varit. Det kan inte vara så kallt att allt vatten är fruset, men det kan inte heller överkokas av värme från planetens smälta kärna.

Genom att kombinera dessa analyser, forskarna drar slutsatsen att Mars sannolikt hade en global underjordisk beboelig zon flera kilometer i tjocklek. I den zonen, väteproduktion via radiolys skulle ha genererat mer än tillräckligt med kemisk energi för att stödja mikrobiellt liv, baserat på vad som är känt om sådana samhällen på jorden. Och den zonen skulle ha bestått i hundratals miljoner år, avslutar forskarna.

Fynden höll i sig även när forskarna modellerade en mängd olika klimatscenarier - några på den varmare sidan, andra på den kallare sidan. Intressant, Tarnas säger, mängden väte under ytan som är tillgänglig för energi går faktiskt upp under de extremt kalla klimatscenarierna. Det beror på att ett tjockare islager ovanför den beboeliga zonen fungerar som ett lock som hjälper till att hålla vätgas från att undkomma underjorden.

"Människor har en uppfattning om att ett kallt tidigt Mars-klimat är dåligt för livet, men vad vi visar är att det faktiskt finns mer kemisk energi för liv under jorden i ett kallt klimat, ", sa Tarnas. "Det är något vi tror kan förändra människors uppfattning om förhållandet mellan klimat och tidigare liv på Mars."

Utforskningskonsekvenser

Tarnas och senap säger att fynden kan vara användbara för att tänka på vart man ska skicka rymdfarkoster som letar efter tecken på tidigare Mars -liv.

"Ett av de mest intressanta alternativen för utforskning är att titta på megabrecciablock - stenbitar som grävdes ut från underjorden via meteoritnedslag, " sa Tarnas. "Många av dem skulle ha kommit från djupet av denna beboeliga zon, och nu sitter de bara, ofta relativt oförändrade, på ytan."

Senap, som har varit aktiv i processen att välja en landningsplats för NASA:s Mars 2020-rover, säger att denna typ av brecciablock finns på minst två av de platser NASA överväger:Northeast Syrtis Major och Midway.

"2020 -roverns uppdrag är att leta efter tecknen på tidigare liv, "Senap sa." Områden där du kan ha rester av denna underjordiska beboeliga zon - som kan ha varit den största beboeliga zonen på planeten - verkar vara ett bra ställe att rikta in dig på. "