Najdeme život na Marsu? Rozhovor s fyzikálním chemikem z Akademie věd

Po stopách života a zdroji metanu nyní na Marsu pátrá rover Perseverance a lidstvo čeká na jeho zprávy. O tom, čím by mohl průzkumník přispět k vysvětlení původu biogenního plynu na rudé planetě, jsme hovořili s významným českým fyzikálním chemikem Svatoplukem Civišem z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského na Akademii věd. 

Rover Perseverance se úspěšně pohybuje po povrchu Marsu od loňského února. Jaké zásadní informace od něj očekáváte vy osobně? 

Perseverance má několik důležitých vědeckých cílů. Mezi ty, jež velmi zajímají mě osobně, patří zjištění původu marsovského metanu: Zda je chemický, či živočišný. K dalším úkolům mise se řadí identifikace prostředí, které mohlo v minulosti podporovat mikrobiální život. Kromě toho má rover pátrat po známkách možných živých forem v prostředích, o nichž se ví, že mohou zachovávat stopy života – zejména v horninách.

Význam detailního zkoumání rudé planety prostřednictvím automatických sond a robotických vozítek je obrovský. O žádné oběžnici nemáme tolik informací jako o Marsu. Co o jeho složení víme již z dřívějších misí? 

O Marsu a jeho povrchu víme už hodně. Na Zemi se podařilo nalézt meteority vykazující marsovský původ. Již v roce 1976 na rudé planetě úspěšně přistály americké sondy Viking, zatímco Pathfinder tam roku 1997 dopravil dvanáctikilové vozítko Sojourner. Následovaly rovery Spirit a Opportunity v roce 2004. Obrovské množství informací nám poskytl robot Curiosity a loni v únoru přistála na Marsu sonda Perseverance. Dosud jsme tak získali data o složení tamního povrchu, který tvoří regolit. Také víme, že na rozdíl od Země obsahuje marsovský povrch poměrně velké koncentrace chloristanů, chlorečnanů, alkalických kovů či kovů alkalických zemin včetně síry.

Co patří mezi nejdůležitější přístroje na palubě roverů zkoumajících Mars? 

Podstatnou roli v přístrojovém vybavení sond a vozítek jednoznačně hrají infračervené a hmotnostní spektrometry, schopné analyzovat jak pevný povrch Marsu, tak atmosféru. Například Curiosity používá k analýze povrchu kamerový komplex ChemCam. Jde o metodu LIBS, kdy se laserem odpaří kousíček horniny, vzdálený až sedm metrů, načež se detekuje emisní spektrum v širokém pásmu viditelného spektra. To pak slouží k identifikaci složení horniny či minerálu. Pomocí dalšího kamerového systému, takzvaného REMS, se měří vlhkost, teplota, rychlost větru a ultrafialové záření. Podstatný je spektrometr APXS, který využívá částice alfa k ozařování vzorků. Následně se díky emitovanému gama-záření určí elementární složení zkoumaného materiálu. Pro účely mineralogie a chemie slouží práškový difraktometr a fluorescenční spektrometr. 

Přístroj SAM se pak skládá z kvadru­polového hmotového spektrometru, plynového chromatografu a laditelného laser-diodového spektrometru, přičemž umožňuje analyzovat pevné organické sloučeniny nebo atmosférické plynné molekuly. Právě uvedené tři přístroje poskytují precizní diagnostiku kyslíku, oxidu uhličitého, vodní páry a metanu v marsovském ovzduší s cílem rozlišit jejich buď biologický, či geochemický původ. Tím však výčet zařízení na roveru Curiosity zdaleka nekončí.

A co všechno může pomocí svého vybavení zkoumat rover Perseverance? 

Vozítko nese mimo jiné pětadvacet kamer s vysokým rozlišením, přičemž hlavní kamera Mastcam-Z je osazena laserem pro chemický rozbor. Zajímavé je, že disponuje také dvěma mikrofony, díky nimž jsme již mohli slyšet marsovské zvuky. Mikrofony zaznamenávají i zvuky roveru při vrtání hornin, což vědcům umožní učinit závěry o tvrdosti tamního materiálu. Analýza zvukových záznamů by navíc mohla poskytnout i další nová data o atmosféře.

Perseverance nese rovněž radar Rimfax s dosahem až deset metrů pod povrch, dále přístroj pro dálkovou chemickou analýzu SuperCam či meteostanici Meda, jež bude analyzovat teplotu, tlak, vítr, vlhkost, záření, prašnost a velikost prachových částic. Důležitou roli hraje rovněž zařízení Moxie pro výrobu kyslíku, PIXL pro skenování kamenů rentgenem a ultrafialový Ramanův spektrometr pro detekci organických látek a zhodnocení obyvatelnosti planety. 

Při pozorování vesmírných objektů pátrají vědci mimo jiné po biogenních sloučeninách, jež by mohly ukazovat na přítomnost života. Již zmiňovaný metan se považuje za prvek živočišného původu, jak jej známe na Zemi. Co by mohl jeho výskyt signalizovat na Marsu?

Robot Curiosity pomocí laser-diodové, vysoce rozlišitelné spektroskopie detekoval v tamní atmosféře metan s proměnnou koncentrací během marsovských ročních období. Samozřejmě se pro astronomickou obec jedná o úžasnou informaci: Za objevem metanu by se mohl skrývat život. Velkou část celkového množství daného prvku v pozemském ovzduší produkují živé organismy, bakterie – tedy procesy, kdy se v přírodě odbourává živočišná organická hmota. Detekce metanu na Marsu by tak mohla signalizovat život ukrytý někde pod povrchem. Všichni se myslím shodneme, že nález živých forem mimo naši planetu by znamenal úžasný objev, který by si zasloužil nejvyšší uznání. 

Co dalšího by mohlo způsobovat výskyt metanu na rudé planetě? 

Odpovědět není jednoduché. Stručně řečeno může uvolňování metanu na Marsu předcházet celá řada dějů. Například regolit v kráteru Gale, kde se pohyboval rover Curiosity, by mohl být metan v určitém suchém ročním období povrchově absorbován, načež by se uvolnil za vlhčích podmínek tamního léta. Další alternativu tvoří podzemní zdroje a jejich povrchová zřídla: Pro představu se jedná o obdobné procesy jako ukládání a uvolňování metanu v arktické tundře. Jiná, již zmiňovaná varianta předpokládá existenci života – jde o schopnost určitých organismů přeměňovat organickou hmotu na metan, podobně jako to na Zemi dělají například bakterie Hydrogenobacter thermophilus a Helicobacter pylori.

Pokud by platila poslední možnost, jak obtížné je najít organické látky či stopy života na povrchu Marsu?

Experimenty zabývající se detekcí a vůbec zjistitelností přítomnosti organických látek a života se potýkají s kombinovaným působením tvrdého záření, fotochemických procesů a reaktivních látek, jako jsou peroxid vodíku, chlorečnany a chloristany na marsovském povrchu. Uvedené podmínky jsou nepřátelské pro jakékoliv organické látky a reaktivita zmíněných chemikálií v kombinaci s místními horninami znamenají pro vědu jednu velkou neznámou. Udává se, že takto nepřátelský může být povrch planety až do hloubky několika metrů. Přesto se v roce 2015 stal první organickou látkou detekovanou na Marsu chlorbenzen.

Metan se tam měří v místech přistání robotických vozítek. Vyskytuje se i v jiných oblastech planety? 

Naše informace o jeho koncentraci jsou dány polohou a časem měření roverů. Curiosity přistál šestého srpna 2012 v oblasti Aeolis Palus uvnitř kráteru Gale, na jižní polokouli těsně pod rovníkem. Na kráter padla volba zcela záměrně, neboť skýtá zvláštní, pro život specifické podmínky. Důležitou roli zde hraje i voda a její atmosférická detekce. Již víme, že je velká část vody uložena na marsovských pólech ve formě ledu, společně se suchým ledem z oxidu uhličitého.

Data z roveru Curiosity vykazují na Marsu kolísavé hodnoty metanu. Dá se tedy jeho výskyt považovat spíš za sezonní? 

Když jsme vedle sebe zobrazili koncentrace vody, oxidu uhličitého a metanu, data pro vodu jednoznačně oscilovala podle tamních ročních období – což nás vedlo k myšlence oscilace metanu generovaného fotochemickou cestou. Data, jež jsme publikovali ve stati v časopise Nature Astronomy, na popsanou závislost ukazují. Půl roku po vydání našeho článku zveřejnili zcela identický graf sezonní závislosti kolísání metanu v marsovské atmosféře i vědci z NASA a Jet Propulsion Laboratory v časopise Science, kterým jsem PDF našeho článku v Nature Astronomy přeposlal ihned po jeho otištění. Musím s povzdechem říct, že naše prognostická studie nebyla citována a američtí odborníci si objev nechali pro sebe.

Co podle vás za oscilací metanu v marsovské atmosféře stojí?

Opět nelze odpovědět snadno. Řadu let studujeme vlastnosti nanomateriálů a zaujímáme k danému výzkumu osobitý přístup – jiný, než se běžně používá. Pomocí ojedinělé techniky spektroskopie s vysokým rozlišením můžeme sledovat i molekuly s odlišným izotopickým zastoupením a podle potřeby si je „obarvovat“. Dokážeme tak vysledovat, co se s nimi během reakce děje. Díky tomu jsme například objevili, že si celá řada pevných oxidických minerálů velice rychle vyměňuje kyslík s plynným oxidem uhličitým. Podobně při ozařování těchto směsí UV zářením v prostředí minerálních kyselin, například kyseliny chlorovodíkové, která je donorem vodíku, vzniká z oxidu uhličitého metan. Zmíněnou reakci nazýváme metanogeneze.

Metanogeneze, tedy s živými organismy nesouvisející (abiotická) syntéza organických molekul, by se dala popsat jako obdoba fotosyntézy, ale bez přítomnosti živé hmoty. Jak tento proces probíhá? 

Mnoho studií ukázalo, že lze takto v kyselém vodním prostředí redukovat oxid uhličitý na metan. Jde o běžnou syntézu organických látek za určitých specifických podmínek, spojenou s fotochemickými pochody vyvolanými UV zářením Slunce. Vezmeme-li v úvahu mineralogické složení povrchu Marsu a jako dominantní atmosféru tvořenou oxidem uhličitým, mohlo se za celou jeho historii čítající čtyři a půl miliardy let vygenerovat až 1,54 krát 10¹⁴ tun metanu.

Jak velké množství oxidu uhličitého tamní atmosféra obsahuje?

Jde o hlavní atmosférický plyn rudé planety, představuje 95,3 % jejího ovzduší. Už v roce 1947 ho objevil Gerard Kuiper, když korigoval proti svitu Měsíce spektroskopický záznam záření Marsu v blízké infračervené oblasti. Po CO₂ následuje v zastoupení dusík s 2,7 %, argon s 1,6 %, kyslík s 0,13 %, oxid uhelnatý s 0,07 % a vodní pára. Podobně jako na Zemi však dochází v atmosféře k sezonním změnám, jak se planeta přibližuje ke Slunci či se od něj vzdaluje. V zimě 25–30 % atmosférického oxidu uhličitého zmrzne na pólech, zatímco v létě opět sublimuje a vrací se do ovzduší.

Pro možnost života je chemie oxidu uhličitého v atmosféře planety důležitá. Jak probíhá na Zemi a jak by mohla fungovat na Marsu? 

Redukce oxidu uhličitého se na Zemi odehrává podobně jako na Marsu, ale existují další atmosférické děje, které posunují rovnováhu zpět k CO₂. Víme, že metan se dá opět lehce spálit na molekulu oxidu uhličitého. Tím se vlastně cyklus CO₂ uzavírá. V rámci našich experimentů jsme pozorovali interakci mezi plynným oxidem uhličitým a povrchem oxidických minerálů TiO₂ (anatas, rutil), MgO, Al₂O₃ a dalších. 

Dalo by se to chápat tak, že by tím vaše teorie metanogeneze nabyla dalšího rozměru? 

Myslím, že ano. Vysvětlilo by to i ohromné množství chlorečnanů a chloristanů alkalických zemin na marsovském povrchu a nepřítomnost kyseliny chlorovodíkové v tamní atmosféře. Je zajímavé, že o její detekci se vědci pokoušeli jak pozemními technikami, tak in situ marsovskými, ale danou kyselinu se na rudé planetě dosud identifikovat nepodařilo. Teprve nedávno byla v časopise Science Advances prezentována její detekce na Marsu v koncentracích obdobných metanu. Jak je vidět, daný proces stále probíhá.

Dá se však říct, že většina kyseliny chlorovodíkové – zbylého chloru po redukci – se již přeměnila (oxidovala) do vzniklých alkalických chlorečnanů a chloristanů, které kontaminují marsovský povrch až do hloubky skoro sedmdesáti centimetrů. Informace o detekci kyseliny chlorovodíkové na rudé planetě v téměř totožných koncentracích s metanem je pro mě nesmírně potěšující a jde o další dílek zapadající do skládačky procesů, které vedou k pomyslné abiotické přeměně oxidu uhličitého na metan v marsovských podmínkách. 

Domníváte se tedy, že metanogeneze vysvětluje výskyt metanu na Marsu lépe než přítomnost života? 

Metanogeneze představuje jeden z jevů, které podle mého přesvědčení na rudé planetě probíhají. Pomocí fotochemických reakcí lze vysvětlit vznik metanu a organické hmoty jak na Marsu, tak na Saturnově měsíci Titanu. Teprve budoucí objevy lidstva ukážou, zda paralelně vedle popsaných jevů existuje ve vesmíru život. Naše teorie metanogeneze pravděpodobně nestačí k úplnému vysvětlení veškerých planetárních jevů, ale rozhodně hraje svou roli a měla by být zahrnuta do všech modelů planetární chemie.

TIP: Nová teorie: Klima dávného Marsu mohli zničit podzemní mikrobi

Významnou úlohu samozřejmě plní také na Zemi: Při pohledu zpět v čase můžeme dobře sledovat, že k redukčním procesům oxidu uhličitého skutečně muselo v prostředí naší rané planety docházet, čímž se dynamicky měnil stav její atmosféry. V důsledku toho by organická či prebiotická syntéza mnohem složitějších biogenních molekul mohla probíhat mnohem snáz a mohla sehrát důležitou roli při formování pozemského života.