โลกอุดมด้วยออกซิเจนบรรยากาศเป็นมากกว่าการสร้างรากฐานให้กับชีวิตที่ซับซ้อน ออกซิเจนในบรรยากาศมีปฏิกิริยามากจนรวมตัวกับองค์ประกอบทางเคมีอื่นๆ ได้อย่างง่ายดาย เมื่อรวมกันแล้วก่อตัวเป็นแร่ที่สำคัญ เช่น ออกไซด์ของเหล็กและแมงกานีสออกไซด์ที่พบในเปลือกโลก ดังนั้น เมื่อยานสำรวจพบแมงกานีสออกไซด์บนดาวอังคาร นักวิทยาศาสตร์จึงตีความว่าแมงกานีสออกไซด์เป็นเบาะแสของชั้นบรรยากาศก่อนหน้าของดาวอังคาร นั่นคือมันต้องมีออกซิเจนอยู่
แต่การศึกษาใหม่ทำให้แนวคิดดังกล่าวหยุดลง
ทั้งคู่ปล่องภูเขาไฟและปล่องภูเขาไฟ Endeavourมีแมงกานีสออกไซด์ เรารู้เรื่องนี้ด้วย MSL Curiosity (Gale Crater) และ Opportunity Rover (Endeavour Crater) การค้นพบนี้ชี้ให้เห็นว่าครั้งหนึ่งบนดาวอังคารไม่เพียงแต่มีออกซิเจนในชั้นบรรยากาศเท่านั้น แต่ยังมีน้ำบนผิวดินด้วย
“วัสดุที่มีแมงกานีสสูงเหล่านี้ไม่สามารถก่อตัวได้หากปราศจากน้ำที่เป็นของเหลวจำนวนมากและสภาวะออกซิไดซ์อย่างรุนแรง ที่นี่บนโลกเรามีน้ำมากมาย แต่ไม่มีแมงกานีสออกไซด์สะสมอยู่ทั่วไปจนกระทั่งระดับออกซิเจนในชั้นบรรยากาศของเราเพิ่มขึ้น” กล่าวนีน่า แลนซ์นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์แห่ง Los Alamos National Laboratory Lanza เป็นผู้เขียนนำของการศึกษาปี 2559บนแมงกานีสออกไซด์บนดาวอังคาร
แต่การศึกษาใหม่ในธรณีศาสตร์ธรรมชาติแสดงให้เห็นว่าออกซิเจนในชั้นบรรยากาศอาจไม่จำเป็นต่อการก่อตัวของแมงกานีสออกไซด์บนดาวอังคารได้อย่างไร การศึกษาคือ “การก่อตัวของแมงกานีสออกไซด์บนดาวอังคารยุคแรกเนื่องจากการหมุนเวียนของฮาโลเจนผู้เขียนคนแรกคือ Kaushik Mitra ซึ่งทำงานวิจัยชิ้นนี้เสร็จโดยเป็นส่วนหนึ่งของงานวิจัยระดับบัณฑิตศึกษาที่มหาวิทยาลัยวอชิงตัน
แมงกานีสเป็นธาตุที่มีมากเป็นอันดับที่ 10 ในเปลือกโลก และมีแร่ธาตุแมงกานีสออกไซด์มากกว่า 30 ชนิด ผู้คนใช้มันมานับพันปีแล้ว นีแอนเดอร์ทัลอาจใช้มันเพื่อเริ่มยิงและศิลปินถ้ำยุคหินยุคหินใช้พวกมันภาพวาดของพวกเขา. คนโบราณใช้เป็นเม็ดสีด้วยและทำให้แก้วใส ในยุคปัจจุบัน เราใช้พวกมันในแร่โลหะ แบตเตอรี่เซลล์แห้ง และเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการผลิตไฮโดรเจน
บนโลก พวกมันมีอยู่ทั่วไปในดินและตะกอน และพวกมันแพร่กระจายไปทั่วเนื่องจากชั้นบรรยากาศออกซิไดซ์ของโลกเรา พวกมันมักจะก่อตัวเป็น “ที่ส่วนต่อประสานระหว่างธรณีภาคกับไฮโดรสเฟียร์ บรรยากาศ และ/หรือชีวมณฑล” ตามบทความวิจัยปี 2542. บนดาวอังคาร ยานสำรวจพบแมงกานีสออกไซด์ในรอยแยกและเส้นเลือดในหินโดยใช้เอ็กซ์เรย์สเปกโตรเมตรี
เมื่อยานสำรวจพบพวกมันบนดาวอังคาร ข้อสรุปโดยธรรมชาติก็คือเงื่อนไขที่สร้างพวกมันบนโลกนี้ต้องปรากฏในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่งบนดาวอังคาร ความสามารถในการอยู่อาศัยในสมัยโบราณของดาวอังคารเป็นหัวข้อที่เราให้ความสนใจ ดังนั้นการค้นพบนี้จึงน่าสนใจ
แต่งานวิจัยชิ้นใหม่ได้ระบุถึงเส้นทางอื่นสู่แมงกานีสออกไซด์ที่ไม่ต้องการออกซิเจน ธาตุฮาโลเจนอย่างคลอรีนและโบรมีนอยู่หลังแมงกานีสบนดาวอังคาร
สมมติฐานของฮาโลเจน
เจฟฟรีย์ คาตาลาโนเป็นผู้เขียนที่เกี่ยวข้องของการศึกษา เขาเป็นศาสตราจารย์ด้าน Earth and Planetary Sciences ที่ Washington University St. Louis และยังเป็นคณาจารย์ของ McDonnell Center for the Space Sciences
“ความเชื่อมโยงระหว่างแมงกานีสออกไซด์และออกซิเจนได้รับผลกระทบจากปัญหาธรณีเคมีพื้นฐานหลายประการ” คาตาลาโนกล่าวในการแถลงข่าว “ฮาโลเจนเกิดขึ้นบนดาวอังคารในรูปแบบที่แตกต่างจากบนโลกและในปริมาณที่มากกว่านั้นมาก และเราเดาว่าพวกมันจะมีความสำคัญต่อชะตากรรมของแมงกานีส” คาตาลาโนกล่าว
“ข้อแตกต่างหลักประการหนึ่งระหว่างโลกกับดาวอังคารก็คือ ดาวอังคารอุดมไปด้วยธาตุฮาโลเจน เช่น คลอรีนและโบรมีน ดาวอังคารเป็นดาวเคราะห์ที่อุดมด้วยธาตุฮาโลเจน โดยมีความเข้มข้นของคลอรีนและโบรมีนในปริมาณมากบนดาวอังคารประมาณสี่เท่า” Kaushik Mitra ผู้เขียนนำกล่าวกับ Universe Today คลอรีนและโบรมีนต่างก็เป็นฮาโลเจนและคลอเรสเตอรอลและโบรเมตเป็นรูปแบบที่โดดเด่นของทั้งสองบนดาวอังคาร
โดยเฉพาะอย่างยิ่งคลอเรตเป็นตัวออกซิไดเซอร์ที่ทรงพลัง สามารถจัดหาออกซิเจนที่จำเป็นในการสร้างแมงกานีสออกไซด์ได้หรือไม่? มีแบบอย่างที่เราปฏิบัติต่อน้ำดื่มของเรา
Catalano กล่าวว่า "เราได้รับแรงบันดาลใจจากปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างการทำคลอรีนในน้ำดื่ม “บางครั้งการทำความเข้าใจดาวเคราะห์ดวงอื่นทำให้เราต้องใช้ความรู้ที่ได้รับจากสาขาวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ที่ดูเหมือนจะไม่เกี่ยวข้องกัน”
“น้ำดื่มที่ไม่ผ่านการบำบัดมีสารปนเปื้อน ดังนั้นเราจึง 'บำบัด' ก่อนบริโภค” Mitra หัวหน้าทีมวิจัยกล่าว “สารปนเปื้อนสามารถมีได้หลายประเภท: สารอินทรีย์ จุลินทรีย์ โลหะ (เช่น ตะกั่ว) ฯลฯ แมงกานีสสามารถเป็นสารปนเปื้อนประเภทหนึ่งได้” Mitra อธิบาย
สารเคมีที่มีคลอรีนที่เติมออกซิเจน (เช่น สารฟอกขาว) มักใช้เพื่อฆ่าเชื้อในน้ำ แต่คลอรีนก็สามารถเป็นสารปนเปื้อนได้เช่นกัน การแนะนำสารปนเปื้อนอื่นจะทำให้น้ำดื่มปนเปื้อนได้อย่างไร “ใช้โลหะ” มิตราบอกจักรวาลวันนี้. “คลอเรตเป็นสารประกอบคลอรีนที่ให้ออกซิเจนชนิดหนึ่งซึ่งมีคุณสมบัติเหมือนกับสารฟอกขาว สารปนเปื้อน (คลอรีนที่เป็นโลหะและออกซิเจน) จะทำปฏิกิริยาร่วมกันเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ที่สามารถกรองออกหรือไม่เป็นอันตรายได้”
นี่คือจุดที่ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างดาวอังคารและโลกเข้ามามีบทบาท ความแตกต่างเหล่านี้บั่นทอนข้อสันนิษฐานที่ว่าการค้นพบสารเคมีชนิดเดียวกันบนดาวอังคารที่ก่อตัวขึ้นบนโลกที่อุดมด้วยออกซิเจนก็หมายความว่าดาวอังคารในยุคโบราณก็อุดมด้วยออกซิเจนเช่นกัน
ไม่เพียงแต่ความเข้มข้นของฮาโลเจนทั้งสองบนดาวอังคารจะมีความเข้มข้นสูงกว่ามาก แต่สภาพแวดล้อมทางเคมีทั้งหมดก็แตกต่างกันด้วย และปฏิกิริยาเคมีไม่ได้เกี่ยวกับตัวสารเคมีเพียงอย่างเดียว สภาพแวดล้อมที่ปฏิกิริยาเกิดขึ้นเป็นตัวกำหนดปฏิกิริยาอย่างมาก และในกรณีนี้ บรรยากาศและค่า pH แตกต่างจากบนโลก “นอกจากนี้ บรรยากาศของดาวอังคารยุคแรกๆ มีแนวโน้มว่าจะอุดมด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งแตกต่างจากโลกด้วย” มิตราบอกยูทาห์. CO2 ทั้งหมดนี้เป็นตัวกำหนดค่า pH ของน้ำบนดาวอังคาร
พวกเขาทำได้อย่างไร —นักวิจัยได้ทำการทดลองในห้องปฏิบัติการกับตัวอย่างคลอเรตและโบรเมตกับออกไซด์ของแมงกานีสในน้ำ น้ำถูกสร้างขึ้นเพื่อจำลองน้ำบนดาวอังคารโบราณ ซึ่งจะมีสภาพเป็นกรดเล็กน้อยถึงเป็นกรดอ่อนๆ โดยมีค่า pH ระหว่าง 3.5 ถึง 6.5 เนื่องจากบรรยากาศที่อุดมด้วย CO2
การทดลองของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าแมงกานีสออกไซด์ที่สำรวจโดยรถแลนด์โรเวอร์ไม่สามารถผลิตได้จากบรรยากาศที่อุดมด้วยออกซิเจน เมื่อคำนึงถึงอุณหภูมิ ความดัน และค่า pH มันขึ้นอยู่กับมาตราส่วนเวลา ชั้นแมงกานีสออกไซด์ที่โรเวอร์พบมีความหนามาก ซึ่งบ่งชี้ว่ามีการก่อตัวขึ้นอย่างรวดเร็ว หากบรรยากาศที่อุดมด้วยออกซิเจนเป็นสาเหตุของชั้นแมงกานีส การทดลองแสดงให้เห็นว่าพวกมันจะบางมาก อาจบางถึง 20 นาโนเมตร
“อัตราการเกิดออกซิเดชันของ Mn(ii) โดย O2 ทั้งที่เป็นเนื้อเดียวกันและตัวเร่งปฏิกิริยาที่พื้นผิวนั้นช้ากว่าโดยโบรเมต” กระดาษระบุ ค่า pH ที่ต่ำของดาวอังคารมีบทบาทสำคัญในเรื่องนี้ “ดังที่แสดงให้เห็นโดยผลลัพธ์ โบรเมตสามารถออกซิไดซ์ Mn(ii) ลงไปที่ pH~3 โดยที่ Mn(ii) ออกซิเดชันโดย O2 ช้าลงประมาณ 108 เท่า (อัตราลดลง 100 เท่าเมื่อค่า pH แต่ละหน่วยลดลง)”
การทดลองยังแสดงให้เห็นว่าแม้ว่าโบรเมตสามารถออกซิไดซ์แมงกานีสในอัตราที่สามารถอธิบายการค้นพบโรเวอร์ได้ แต่คลอเรตกลับไม่ใช่ "แตกต่างจากโบรเมต คลอเรตไม่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน Mn(ii) ที่สังเกตได้ในระบบที่เป็นเนื้อเดียวกันในการศึกษานี้" ผู้เขียนเขียนในการศึกษาของพวกเขา
“ในบทความของเรา เราแสดงให้เห็นว่าหากออกซิเจนสร้างชั้นแมงกานีสออกไซด์ ชั้นออกไซด์จะต้องบางลง” มิตราบอกจักรวาลวันนี้. เอ็กซเรย์สเปกโตรเมตรีของยานโรเวอร์พบความเข้มข้นของแมงกานีสออกไซด์มากกว่าที่จะอยู่ในชั้นระดับนาโนเมตร "ดังนั้นจึงมีสิ่งกีดขวางทางจลนพลศาสตร์และอุณหพลศาสตร์อย่างมากต่อ O2 ซึ่งทำหน้าที่เป็นสารออกซิแดนท์ที่ทำให้เกิดการสะสมของแมงกานีสออกไซด์ที่ทำให้เกิดการแตกหักบนดาวอังคาร"
เนื่องจากพวกมันไม่บางขนาดนั้น จึงต้องมีวิธีอื่นที่ทำให้พวกมันกลายเป็นออกซิไดซ์ การทดลองแสดงให้เห็นว่าโบรเมตที่มีความเข้มข้นสูงบนดาวอังคารมีส่วนสร้างแมงกานีสออกไซด์
"ออกซิเดชันไม่จำเป็นต้องมีส่วนร่วมของออกซิเจนตามคำนิยาม" Mitra กล่าว “ก่อนหน้านี้ เราเสนอสารออกซิแดนท์ที่มีชีวิตบนดาวอังคาร นอกเหนือจากออกซิเจนหรือผ่านโฟโตออกซิเดชันของรังสียูวี ซึ่งช่วยอธิบายว่าทำไมดาวเคราะห์สีแดงจึงมีสีแดง ในกรณีของแมงกานีส เราไม่มีทางเลือกอื่นนอกจากออกซิเจนที่สามารถอธิบายแมงกานีสออกไซด์ได้จนถึงตอนนี้”
ดาวอังคารกับโลก
ดาวอังคารเป็นปริศนาที่เราเพิ่งเริ่มรวบรวม และบางครั้งเราก็ปัดเป่าความแตกต่างพื้นฐานหลายอย่างระหว่างดาวเคราะห์ทั้งสองดวง อาจเป็นการดึงดูดให้คิดว่าดาวอังคารเป็น "โลกผิดพลาด" ในขณะที่โลกยังคงมีชั้นบรรยากาศแม่เหล็ก ชั้นบรรยากาศที่สมบูรณ์ และมหาสมุทร ดาวอังคารอาจมีสิ่งเหล่านี้ทั้งหมดจนกระทั่งมีบางอย่างผิดพลาด และดาวเคราะห์กลายเป็นหมัน
แต่จากการศึกษาเช่นนี้ชี้ให้เห็นว่ามีความแตกต่างมากมายระหว่างโลกกับดาวอังคาร “แม้ว่าจะคล้ายคลึงกัน แต่ก็มีความแตกต่างอย่างมากระหว่างโลกและดาวอังคาร และนั่นเป็นตัวกำหนดความแตกต่างระหว่างลักษณะต่างๆ ของดาวเคราะห์ทั้งสอง (บรรยากาศ โครงสร้างดาวเคราะห์ องค์ประกอบของดาวเคราะห์จำนวนมาก องค์ประกอบของเปลือกโลก ไฮโดรสเฟียร์ ฯลฯ)” มิตรากล่าว
เพียงเพราะการศึกษานี้ตั้งคำถามถึงการมีอยู่ของชั้นบรรยากาศที่อุดมด้วยออกซิเจน ไม่ได้หมายความว่ามันจะทำให้ชีวิตบนดาวอังคารโบราณไม่มีกฎเกณฑ์ ท้ายที่สุดไม่ใช่ทุกสิ่งมีชีวิตบนโลกที่ต้องการออกซิเจน ในความเป็นจริง เมื่อสิ่งมีชีวิตถือกำเนิดขึ้นบนโลกครั้งแรก บรรยากาศไม่ได้อุดมด้วยออกซิเจน ยังคงมีรูปแบบชีวิตที่เรียบง่ายที่ปราศจากมัน
“มีสิ่งมีชีวิตหลายรูปแบบแม้กระทั่งบนโลกที่ไม่ต้องการออกซิเจนในการอยู่รอด” มิทรากล่าว “ฉันไม่คิดว่ามันเป็น 'ความพ่ายแพ้' ต่อการอยู่อาศัย — เพียงแต่ว่าอาจจะไม่มีรูปแบบชีวิตที่ใช้ออกซิเจน”
บนโลก ประเภทของสิ่งมีชีวิตที่เรียบง่ายเรียกว่าบังคับให้ไม่ใช้ออกซิเจนดำรงอยู่โดยปราศจากออกซิเจนและในความเป็นจริงไม่สามารถอยู่รอดได้ในสภาวะที่มีออกซิเจนในระดับโมเลกุลต่ำ และในปี พ.ศ. 2553 นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ที่ซับซ้อนแบบใหม่ 3 รูปแบบในก้นทะเลเมดิเตอร์เรเนียนที่ไม่ต้องการออกซิเจน พวกมันใช้ชีวิตทั้งหมดภายใต้สภาวะที่เป็นพิษอย่างถาวร ดังนั้นจึงมีแบบอย่างสำหรับสิ่งมีชีวิตบนดาวอังคารยุคแรก แม้ว่ามันจะไม่มีชั้นบรรยากาศที่อุดมด้วยออกซิเจนก็ตาม
การศึกษานี้จะไม่ใช่คำตอบสุดท้ายเกี่ยวกับดาวอังคาร แมงกานีสออกไซด์ และสภาพโบราณของดาวเคราะห์ เป็นปริศนาที่สำคัญอีกชิ้นหนึ่ง ในอีกประมาณหนึ่งทศวรรษหรือมากกว่านั้น นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะได้ชิ้นส่วนปริศนาเพิ่มเติมมาครอบครอง ซึ่งอาจจะเป็นชิ้นส่วนที่สำคัญที่สุด: ตัวอย่างที่ยาน Perseverance rover กำลังรวบรวมอยู่ใน Jezero Crater
“ณ ตอนนี้ เรามีข้อมูลที่จำกัดเกี่ยวกับหินและแร่ธาตุบนดาวอังคาร รวมถึงแมงกานีสออกไซด์” มิตราบอกจักรวาลวันนี้. “เราไม่มีข้อมูลทางแร่วิทยาจากหินตะกอนที่อุดมด้วยแมงกานีส” โรเวอร์ให้ข้อมูลองค์ประกอบแทน และนักวิจัยก็อนุมานแร่วิทยาจากสิ่งนั้น
“การมีข้อมูลแร่วิทยาและการวิเคราะห์จุลภาคอื่นๆ (เช่น การวิเคราะห์ไอโซโทป) สามารถให้ข้อมูลได้มากขึ้น” Mitra อธิบายในการแลกเปลี่ยนทางอีเมล “ดังนั้น การมีตัวอย่างจากดาวอังคารจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจกระบวนการทางเคมีที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวในอดีต และจะทำให้เรามีความเข้าใจที่ดีขึ้นอย่างมากเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมทางธรณีวิทยา ธรณีเคมี สิ่งแวดล้อม และที่อยู่อาศัยในอดีตบนดาวอังคาร”
บทความนี้ถูกเผยแพร่ครั้งแรกเมื่อจักรวาลวันนี้ โดยอีแวน กอฟ อ่านบทความต้นฉบับที่นี่.