文摘
现代的火星是一个干燥,恶劣的环境没有地表水,但几十亿年前可能是富含水分,像地球一样。科学家认为,火星上的水丢了,剩下的水会越来越咸,富含硫。通过与类似的化学研究地球上的环境,我们可以开发假说是否可能在火星上存在生命。在我们的研究中,我们研究了色彩的峰值,硫化物,咸弹簧系统在加拿大北极地区高。这个环境中含有细菌,使用硫来获取能量。通过研究本地区的水和沉积物样本,我们证实了细菌,使用硫作为能源可能生活在火星上。这些结果可以帮助科学家分析数据来自火星任务确定前火星上存在生命的证据。
火星的水
所有的生物都需要水。自1971年以来,9个任务已经成功登陆火星,目前有14个地球轨道卫星。这些任务有任何发现月球上有水的证据,或者今天的生活表面上。然而,这些任务观察到结构(如流域)和含水岩石和矿物(如粘土)在火星表面,水的存在(这可能是证据1]。科学家相信,数十亿年前,火星上有水。
火星失去水由于大气的部分损失,但由于任务的数据,科学家们已经知道早期火星的环境。科学家认为,当水开始蒸发,它成为咸(至少两倍咸地球海水)和富含硫磺,尤其是在硫化物的形式。这是给臭鸡蛋气味的化学!我们也知道,地球上的生命所需的关键元素(碳、氢、氮、氧、磷和硫;缩写为CHNOPS)都被确认在火星岩石和土壤。
如果火星上存在过生命,它会存在于或接近身体的水,和这些潜在的火星生物可能会留下他们的存在的证据。之前我们飞向火星发送搜索证据的生活,我们需要知道我们应该寻找什么样的证据。这种准备是很重要的,因为发送登陆火星是令人难以置信的复杂和昂贵。科学家们开始准备通过研究地球上的环境,也有类似的水化学早期火星。没有地球上的环境是一个完美的适合,但有许多类似足够的对于我们开发的理解火星水和生活是否曾经存在。
这样的一个环境颜色峰值弹簧系统阿克塞尔加拿大在北极海伯格岛(图1),那里的水很咸,硫化物。平均气温在颜色峰值−20°C。在冬天,它可以低至−40°C,但岛上的泉水从未冻结,因为他们的高盐含量(以同样的方式,在路上撒上盐阻止冰形成)(2,3]。我们收集水和沉积物样本颜色峰值和低温储存他们,直到他们达到了实验室在英国。
- 图1 -(一)Axel Heiberg岛的地图,土地布朗和冰帽白色所示所示。
- 颜色峰值是一个明星和其他两个咸弹簧的红点。(B)照片的颜色标签显示峰值的来源弹簧。地图是由修改图像从谷歌地图(Google地图数据@2020)使用Illustrator 21.0.2创意云版本的程序。这些图像复制Macey从et al ., (3创作共用许可证4.0(下)creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。
我们从颜色的化学分析水峰温泉使用技术电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)。ICP-OES通过加热水产生等离子体(非常热,精力充沛的气体),检测每个元素的特定颜色的光在水里。使用来自火星表面的地质资料收集的美国宇航局好奇号,我们使用电脑程序模型古代火星上的水的化学成分4]。预测火星水的组成非常类似于水的成分从色彩的峰值。这意味着细菌生活在色彩峰泉生存和发展条件下像那些可能在火星上曾经存在过。
住在什么颜色峰值水吗?
我们发现的细菌生活在颜色峰值弹簧通过观察他们的脱氧核糖核酸(DNA)。著名的双螺旋DNA的遗传代码,指示细胞产生多种蛋白质和细胞功能的调节这些蛋白质是如何使用的。有一个关键基因,让我们识别的细菌生活在一个环境:16 s rRNA基因。这个基因,它存在于一个相关但不同的形式在所有类型的细菌,执行一个细菌复制和增长的关键作用。通过研究这个基因在一个环境下,我们可以识别各种各样的细菌,住在那里。
然而,我们可以研究基因之前,我们首先要从细菌中提取(删除)的DNA样本。要做到这一点,我们必须克服两个主要问题。首先,从细菌中提取DNA的标准方式是使用化学物质破裂细胞开放,只留下背后的DNA。大量的盐的颜色峰值水造成一些这些化学物质以奇怪的方式做出反应,这意味着我们不能收集任何DNA。第二,因为颜色峰值水是冷的,咸的,死亡的细菌的DNA和几千年前被保留,我们无法分辨细菌DNA早已过世的活细菌(5]。
解决第一个问题,我们用超纯水清洗样品将盐从细菌冲走。为了解决第二个问题,我们研究了核糖核酸(RNA)以及DNA。RNA是一种单链DNA的复制,一个细胞读取产生蛋白质。RNA很快分解,即使在寒冷和salt-rich条件,所以寻找16 s rRNA基因的RNA和DNA帮助我们知道哪些细菌采集标本时还活着。使用这种方法,我们的研究显示,大多数细菌生活在色彩属于峰值sulphur-oxidising细菌(哭泣)3]。
这些结果对火星意味着什么?
呜咽使用硫作为能量的来源。考虑到大量的硫颜色峰值水,是有道理的,这是一个成功的生活方式在这个环境中。古代火星的水也会含有大量的硫,这意味着呜咽的主要能量来源是可用的。许多呜咽获得他们所需要的碳从空气中二氧化碳通过捕获它,像植物这样做自养。自养火星上也会是一个很好的策略,因为大量的二氧化碳在大气中[95000 ppm (ppm)相比,地球上的415 ppm)。一些呜咽也可以增长没有氧气(火星上很低),并可以使用氮基的化学物质,叫做硝酸盐,已发现在火星的岩石(图2)[6]。
- 图2 -建议的来源的生活中必不可少的东西元素(碳、氮、氧、磷和硫- CHNOPS)内的呜咽颜色峰值弹簧和水环境预测火星上。
- 沉积物中的元素和大气中二氧化碳和氧气的浓度是基于研究环境的颜色峰值或数据从登陆火星表面的6,7]。这些图像复制Macey从et al ., (3创作共用许可证4.0(下)creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。
表明哭泣可以在颜色的高峰后水和知道所需的所有关键元素(CHNOPS)增长存在,我们调查了火星水是否模仿会支持细菌生长。这是很重要的,因为,以及需要特定元素,呜咽也需要产生足够的能量生长。如果我们知道特定元素的浓度,我们可以计算是否有足够的这些元素产生的细菌所需要的能量。方程用于计算能量叫做吉布斯能量方程它是由科学家威拉德吉布斯(8]。使用吉布斯能量方程,我们可以说,不仅会呜咽产生足够的能量增加,但他们也会的只有类型的细菌,可以生长在这些特定的水域。显示了我们的工作大纲图3。
- 图3——这项研究中所涉及的步骤。
- 野外工作步骤是白色的,微生物步骤用黄色,橙色,化学和Mars-focused在红色的工作。
这是一个非常激动人心的结果,因为哭泣改变当地的化学环境随着他们的成长。这会产生生命的证据,包括建设和形成特定的化学物质和矿物质,可作为证据的生活甚至长细菌死亡后(9,10]。如果细菌喜欢呜咽一旦火星上的增长,有可能的呜咽在地球上留下的证据可能在火星上发现。
未来
我们学习了地球上的环境(咸、硫化物的颜色峰泉),被认为是类似于早期火星环境(4.1 -37亿年前)。从这个工作,我们能够更好地了解什么样的生活可能已经能够在火星上生存。通过结合微生物学、化学和造型,我们表明,硫氧化细菌茁壮成长在这北极泉水,所以可能已经能够在火星早期生长。
当我们写这篇文章,两个探测器(美国宇航局毅力和中国政府的空间Tianwen-1)最近在火星上着陆。理解这些任务的数据获取和确定火星是否存在生命将需要许多年,并最终完成未来的一代又一代的青年科学家。我们兴奋地认为我们的工作和方法将有助于解决我们这个时代的最大问题之一:我们在宇宙中是孤家寡人吗?
术语表
CHONPS:↑缩写碳,氢,氧,氮,磷和硫。这些被认为是生命的关键元素占近98%的所有活细胞分子。
电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES):↑科学技术是通过加热水产生等离子体(热,精力充沛气体)和探测光的颜色给了每个元素在水里。
16 s rRNA基因:↑这个基因在细胞生长和复制过程中发挥作用。在所有的细菌在相关表单和序列的差异可以用来识别细菌。
硫氧化细菌:↑一种细菌,这种细菌从硫得到能量。
自养:↑这是制作过程中复杂的化合物(例如,组成细胞的构建块)从简单的物质(例如,像碳dioxide-CO2)。
吉布斯能量方程:↑这是一个方程,可以用来计算一个特定的化学反应会产生多少能量。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
原始来源
↑Macey m . C。,Fox-Powell, M., Ramkissoon, N. K., Stephens, B. P., Barton, T., Schwenzer, S. P., et al. 2020. The identification of sulfide oxidation as a potential metabolism driving primary production on late noachian mars.Sci代表。10:10941。doi: 10.1038 / s41598 - 020 - 67815 - 8
引用
[1]↑卡尔,m . H。,and Head, J. W. 2010. Geologic history of Mars.地球行星Sci列托人。294:185 - 203。doi: 10.1016 / j.epsl.2009.06.042
[2]↑Perreault: N。,Andersen, D. T., Pollard, W. H., Greer, C. W., and Whyte, L. G. 2007. Characterization of the prokaryotic diversity in cold saline perennial springs of the Canadian high arctic.:环境Microbiol。73:1532-43。doi: 10.1128 / AEM.01729-06
[3]↑Macey m . C。,Fox-Powell, M., Ramkissoon, N. K., Stephens, B. P., Barton, T., Schwenzer, S. P., et al. 2020. The identification of sulfide oxidation as a potential metabolism driving primary production on late noachian mars.Sci代表。10:10941。doi: 10.1038 / s41598 - 020 - 67815 - 8
[4]↑桥梁、j . C。,and Schwenzer, S. P. 2012. The nakhlite hydrothermal brine on Mars.地球行星Sci列托人。359 - 60:117 - 23所示。doi: 10.1016 / j.epsl.2012.09.044
[5]↑Willerslev E。,Hansen, A. J., Rønn, R., Brand, T. B., Barnes, I., Wiuf, C., et al. 2004. Long-term persistence of bacterial DNA.咕咕叫杂志。14:13-4。doi: 10.1016 / j.cub.2003.12.012
[6]↑斯特恩,j . C。萨特,B。,Freissinet, C., Navarro-González, R., McKay, C. P., Archer, P. D., et al. 2015. Evidence for indigenous nitrogen in sedimentary and aeolian deposits from the Curiosity rover investigations at Gale crater, Mars.《美国国家科学院刊。112:4245-50。doi: 10.1073 / pnas.1420932112
[7]↑Mahaffy, p R。,Webster, C. R., Atreya, S. K., Franz, H., Wong, M., Conrad, P. G., et al. 2013. Abundance and isotopic compoisition of gases in the Martian atmosphere from the Curiosity rover.科学。341:263-6。doi: 10.1126 / science.1237966
[8]↑McCollom, t . m . 2007。地球化学限制能源的代谢在ultramafic-hosted chemolithoautotrophy深海热液系统。天体生物学。7:933-50。doi: 10.1089 / ast.2006.0119
[9]↑勇士,M . M。,Osinski, G. R., and Banerjee, N. R. 2013. Mineralogy of saline perennial cold springs on axel Heiberg Island, Nunavut, Canada and implications for spring deposits on Mars.伊卡洛斯。224:364 - 81。doi: 10.1016 / j.icarus.2012.08.031
[10]↑Pellerin,。鹿角,G。,Holm, S. A., Findlay, A. J., Crockford, P. W., Turchyn, A. V., et al. 2019. Large sulfur isotope fractionation by bacterial sulfide oxidation.Sci副词。5:eaaw1480。doi: 10.1126 / sciadv.aaw1480