Curiosity vindt organische moleculen in sedimenten op Mars, en mysterieus methaan in de atmosfeer

De nieuwe bevindingen vormen niet noodzakelijk een bewijs voor de aanwezigheid van leven, maar ze zijn wel een goede aanwijzing voor toekomstige missies om het oppervlak en de ondergrond van Mars te onderzoeken, zegt de NASA.

Ze zijn gepubliceerd in twee studies in het wetenschappelijke tijdschrift "Science", een over de organische moleculen, en een over het methaan in de atmosfeer.

Curiosity landde in 2012 op Mars, en sindsdien heeft de Marsrover traag Mount Sharp beklommen, een grote heuvel die ontstaan is door de impact van een asteroïde. Diezelfde impact legde ook drie miljard jaar oude sedimentaire rotsen bloot, die ontstaan zijn door de afzetting van laagjes bezinksel op de bodem van een oud meer. 

Dergelijke kleistenen zijn ideaal om organische moleculen te vangen en te bewaren. Organische moleculen bevatten koolstof en waterstof, en verder kunnen er ook nog zuurstof, stikstof en andere elementen in zitten. Ze worden vaak geassocieerd met leven, maar ze kunnen ook gevormd worden door niet-biologische processen en zijn niet noodzakelijk een aanwijzing voor de aanwezigheid van leven. Omdat ultraviolette straling en oxiderende verbindingen in de bodem organische moleculen die blootliggen aan de oppervlakte, zouden vernietigen, gebruikten de wetenschappers van Curiosity een robotboor op de rover om verschillende centimeter diep in de kleisteen te geraken.

De rover heeft een reeks instrumenten aan boord om naar organische moleculen te zoeken, die SAM genoemd worden of Sample Analysis at Mars. Het gruis van de boring werd in een oven in Curiosity geplaatst en verhit tot temperaturen tussen 600 en 860 graden Celsius, temperaturen waarop een bekende contaminerende stof verdwijnt. De gassen die daardoor ontstonden, werden vervolgens in een massaspectrometer geleid, die moleculen kan identificeren aan de hand van hun gewicht.

Het team vond een enorm aantal nauw verwante organische signalen, die tientallen of honderden types van kleine koolstofmoleculen weergeven, waarschijnlijk korte ringen of strengen die respectievelijk aromaten of aromatische verbindingen, en alifatische verbindingen genoemd worden. Slechts enkele organische moleculen, koolstofringen die zwavel bevatten en tiofeen genoemd worden, waren talrijk genoeg om direct gedetecteerd te worden, zo zei Jennifer Eigenbrode in "Science". Eigenbrode is een biogeochemicus aan het Goddard Space Flight Center van de NASA die de leiding had over de studie naar de organische moleculen.  

Nochtans heeft Curiosity nu duidelijk veel meer organische moleculen gevonden dan ooit tevoren. Sinds de rover in 2012 geland is op Mars, heeft hij stalen van de bodem en van vermalen rots doorzocht naar aanwijzingen voor organische moleculen, en die ook gevonden. Die waren echter zo zwak dat ze ook het resultaat konden zijn van contaminatie. Nu tonen de stalen van twee verschillende plaatsen op de oude meerbodem complexe organische macromoleculen, in een concentratie van enkele tientallen deeltjes per miljoen, wat 100 keer meer is dan de vorige vondsten.  

Naast tiofeen identificeerden de onderzoekers later nog onder meer benzeen, tolueen, en korte koolstofketens als propaan en buteen.

Het patroon dat de massaspectrometer van Curiosity verkreeg, zag eruit als de patronen die op aarde veroorzaakt worden door kerogeen, een bouwsteen van fossiele brandstoffen, die gevonden wordt in rotsen zoals olieschalie. Kerogeen wordt soms gevonden met zwavel, dat helpt om het te bewaren gedurende miljarden jaren. Het Curiosity-team denkt dat de zwavelverbindingen in hun stalen de lange levensduur van de verbindingen op Mars verklaren.  

Op aarde wordt kerogeen gevormd als geologische krachten de restanten van bijvoorbeeld algen samenpersen, maar het is onmogelijk te zeggen of ook de martiaanse organische verbindingen ontstaan zijn uit oude levensvormen. 

Koolstofrijke meteorieten bevatten verbindingen die lijken op kerogeen, en dergelijke meteorieten vallen constant neer op Mars. Ook kunnen reacties die aangedreven werden door de oude vulkanen op Mars, de verbindingen gevormd hebben uit primordiale koolstofdioxide.

Monica Grady, een planetair expert aan de The Open University in Milton Keynes in het VK, gelooft dat de verbindingen op Mars zelf ontstaan zijn, op een of andere manier. Ze denkt immers dat het zeer onwaarschijnlijk is dat Curiosity in een site geboord heeft waar een meteoriet is gevallen, en ze merkt op dat de moleculen gevonden zijn op de plaats van een oud meer, een potentieel neerslaggebied voor de overblijfselen van oud leven. "Ik vermoed dat het geologisch is, en ik hoop dat het biologisch is", zo zei ze in "Science". 

"Curiosity heeft niet vastgesteld wat de oorsprong van de organische moleculen is", zei Jen Eigenbrode. "Of het nu een overblijfsel is van oud leven, ooit voedsel voor levenis geweest, of bestaan heeft zonder dat er leven was, organisch materiaal op Mars bevat chemische aanwijzingen voor de omstandigheden en de processen op de planeet." 

"Het oppervlak van Mars is blootgesteld aan straling vanuit de ruimte. Zowel straling als agressieve chemische stoffen breken organisch materiaal af", zo zei ze op de website van de NASA. "Dat we oude organische moleculen vinden in de bovenste vijf centimeter rots die afgezet is toen Mars bewoonbaar kan geweest zijn, is een goed teken voor ons, die het verhaal willen achterhalen van de organische moleculen op Mars, dankzij toekomstige missies die dieper zullen boren." 

De ontdekking kan inderdaad een aansporing zijn voor plannen om in de toekomst Mars te verkennen. De ExoMars-rover van de ESA, die in 2020 gelanceerd zal worden, zal dieper boren dan Curiosity, en zo delen van de bodem bereiken die beter beschermd zijn tegen straling. 

Maar voor het opsporen van leven kunnen uiteindelijk de preciese analyses van laboratoria op aarde nodig zijn, zo zei Monica Grady in "Science". "We moeten een staal terugbrengen."

In laboratoria op aarde kunnen de technici de niet-organische moleculen oplossen en verwijderen, en daarna een volledig index opstellen van de overblijvende organische moleculen,  waaronder ook bijvoorbeeld vetzuren met een even aantal koolstofatomen, een "watermerk" van leven. 

Curiosity gaat niet naar de aarde terugkeren, en voorlopig zal er dus nog geen  staal van Mars op aarde belanden. Gelukkig heeft de Marsrover nog een laatste instrument dat meer duidelijkheid zou kunnen brengen over de oorsprong van de moleculen. 

Het gaat om negen kleine kopjes met een oplosmiddel dat organische bestanddelen vrijmaakt die in rots gebonden zitten. Dat maakt dat het niet langer nodig is om de moleculen uit elkaar te breken bij hoge temperaturen, en ze zo mogelijk ook te vernietigen. 

In september 2016 waren de Curiosity-onderzoekers eindelijk zover dat ze een van de kopjes gingen gebruiken, maar net op dat ogenblik werkte het mechanisme om de boor van de rover te ontplooien, niet meer naar behoren. Vervolgens begon de rover aan het onderzoek van een ijzerrijke richel, en liet de Marsjeep de interessante kleistenen achter zich. 

In april, nadat ingenieurs een manier hadden gevonden om het probleem met de boor te verhelpen, nam het team het uitzonderlijke besluit om achteruit te gaan, en de richel opnieuw af te rijden naar de kleisteen, om daar het eerste staal in anderhalf jaar te nemen. En nu de oven en de massaspectrometer aanwijzingen voor organische moleculen hebben gevonden, is het waarschijnlijk dat het team een kopje zal inzetten. "Het komt nu zo dichtbij dat ik het kan proeven", zei Ashwin Vasavada, de projectwetenschapper voor Curiosity aan het Jet Propulsion Laboratory in Pasadena in Californië.  

In de tweede studie analyseerde een team de atmosferische data die Curiosity verzameld heeft in de loop van drie Marsjaren, 55 aardse maanden. In die periode bleek dat de - eerder lage - methaanconcentraties in de atmosfeer in de Gale-krater een piek kenden in de warme zomermaanden, en elk jaar terugvallen in de koudere warmtemaanden in de noordelijke hemisfeer.

Gebaseerd op de chemische opbouw vermoeden de onderzoekers dat het methaan opgewarmd werd, en vrijkwam uit ondergrondse reservoirs waar het waarschijnlijk gevangen zat in permafrost. Ze vermoeden dat grote hoeveelheden van het gas vastgevroren zitten in dergelijke ondergrondse reservoirs. 

Het is helemaal niet de eerste keer dat onderzoekers beweren dat ze methaan gevonden hebben op Mars. Curiosity zelf haalde de krantenkoppen toen de rover zwakke signalen van methaan had opgevangen. 

Onderzoekers zitten al decennia achter het gas aan op Mars. In 1966 deed een duo astronomen een opzienbarende aankondiging op een conferentie in San Francisco:  ze hadden een speciale telescoop op aarde gebruikt om de atmosfeer van Mars te bestuderen, en daarbij hadden ze kunnen afleiden dat er methaan aanwezig was. De kranten blokletterden toen: "Mogelijk kan er leven op Mars voorkomen". 

In de halve eeuw sinds die aankondiging hebben verschillende teams van wetenschappers mogelijke aanwijzingen voor de aanwezigheid van methaan in de atmosfeer van Mars gepubliceerd, en telkens laaide de hoop op er ook leven te vinden. Zonder verdere aanwijzingen of bewijzen verdween die echter telkens ook weer.

Al die signalen en aanwijzingen kwamen evenwel slechts sporadisch voor, en het was niet mogelijk de waarnemingen te herhalingen. Nu is dat echter anders: dit keer was Curiosity in staat het signaal lange tijd te volgen terwijl het sterker werd en opnieuw zwakker, dus nu is het zo goed als zeker dat er methaan in de atmosfeer aanwezig is. Veel minder zeker is evenwel wat daarvan de betekenis is.

Om te begrijpen waarom methaan zo belangrijk is, moet men begrijpen wat het is. Methaan is een eenvoudige molecule - een zogenoemd hydrocarbon of koolwaterstof - die bestaat uit vier waterstofatomen die vastzitten aan een koolstofatoom. Het is reuk- en kleurloos, en het komt zeer veel voor, aangezien waterstof het meest voorkomende element is in het universum, en koolstof het op na twee na meest voorkomend.

Maar methaan is ook fragiel. Het kan niet goed tegen hitte, en de zuurstof en koolstofdioxide in de atmosfeer van de aarde kunnen de binding tussen de atomen verbreken. Daardoor blijft methaan niet lang bestaan in onze atmosfeer. 

En het meeste methaan dat wel in de atmosfeer zit, is geproduceerd door biologie. Dingen sterven en hun koolwaterstoffen geraken gevangen in voorraden diep onder de grond, of in permafrost. Ook levende wezens produceren methaan in grote hoeveelheden. Koeien en ander vee brengen enorme hoeveelheden van het broeikasgas voort, en bijvoorbeeld ook termieten doen dat. En eenvoudige levensvormen, die methanogenen genoemd worden, produceren eveneens methaan.

Dat alles betekent dat op aarde methaan een teken van leven is. En dat is voor astronomen een goede reden om methaan te zien als een mogelijk teken voor de aanwezigheid van microben op Mars. 

Zoals op aarde zijn de omstandigheden op Mars van die aard dat ze methaan vernietigen. De atmosfeer van de Rode Planeet bestaat bijna volledig uit koolstofdioxide, en zelfs het ultraviolette licht dat doordringt in de dunne atmosfeer van Mars, kan methaan vernietigen. En dat betekent dus dat de methaan die we waarnemen op Mars, recent in de atmosfeer moet vrijgegeven zijn. 

Maar leven is niet het enige proces dat methaan aanmaakt. Dat weten we omdat methaan overvloedig voorkomt op Uranus en Neptunus, en dat er voldoende methaan aanwezig is om bizarre landschappen te creëren op het oppervlak van Pluto en Titan. Zelfs op aarde wordt een kleine hoeveelheid methaan geproduceerd in specifieke vulkanische reacties. 

Maar Mars heeft geen actieve vulkanen, en de mechanismen die het gas aanvullen op de grote buitenplaneten, komen op Mars niet voor. 

Ook de oorzaak van de fluctuaties van de methaanconcetraties met de seizoenen, zou biologisch of niet-biologisch kunnen zijn. De fluctuaties kunnen immers veroorzaakt worden door niet-biologische processen, zoals het vrijkomen van bevroren methaan uit de warmer wordende ondergrond, of door microben, die actiever worden als het warmer wordt. 

Om te ontdekken wat de oorzaak is van de fluctuaties, is er een nieuwe missie nodig, die in staat is beter te zoeken naar onmiskenbare aanwijzingen voor leven. Die missies staan gelukkig al in de steigers. De Mars 2020 rover, die binnen twee jaar gelanceerd zal worden, is speciaal ontworpen voor dit doel, en de ExoMars rover van het European Space Agency, die snel zal volgen op de Mars 2020, heeft dezelfde doelen, en zal dieper kunnen boren in de ondergrond. 

Het is ook de bedoeling dat de Mars 2020 een 30-tal boorkernen zal verzamelen die met latere missies naar de aarde zullen gebracht worden. Die plannen zijn echter nog lang niet klaar, en ook de financiering is nog lang niet rond. Het pleidooi van de NASA voor het overbrengen van de kernen naar de aarde, heeft nu heel wat steun gekregen door de recente ontdekkingen van Curiosity. "Als iemand me zou vragen om naar het Congress te gaan, en een missie te verdedigen om de stalen terug te brengen, maken deze studies dat werkje heel wat eenvoudiger", zei George Cody, een geochemicus bij de Carnegie Institution for Science in Washington in "Science".  

Hoe dan ook staan we nu dichter bij het achterhalen van de bron van het methaan op Mars dan ooit tevoren, wat de oorzaak ook moge zijn, microben of anorganische scheikunde.