30年前，流星獵人在南極冰原發(fā)現(xiàn)了一塊火星巖石。2014年1月和2月，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校、美國宇航局和史密森尼學(xué)會的科學(xué)家對這塊巖石的最新分析揭示了數(shù)十億年前的火星氣候記錄。他們報(bào)告了隕石中所含礦物的詳細(xì)證據(jù)數(shù)據(jù)，證據(jù)表明，當(dāng)時(shí)火星表面似乎被水沖刷，火星上曾經(jīng)形成的生命可能在當(dāng)時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的項(xiàng)目科學(xué)家、該報(bào)告的主要作者羅賓娜·沙欣（Robina Shahin）表示：“隕石中的礦物捕捉到了火星古老的化學(xué)特征，以及水與大氣相互作用的全貌。”

這顆13000年前掉到地上的令人不快的石頭看起來像一個歷史悠久的土豆。它是人類擁有的最古老的火星隕石。它是40億年前火山噴發(fā)產(chǎn)生的一大塊凝固巖漿。科學(xué)家稱之為ALH84001。從那時(shí)起，一些液體（可能是水）從巖石的孔隙中滲透出來，一些小顆粒沉積在碳酸鹽和其他礦物中。

碳酸鹽之間的細(xì)微差別取決于其中碳原子和氧原子的來源。碳和氧都有較重和較輕的變體，也稱為同位素。同位素相對頻率形成的化學(xué)性質(zhì)可以通過詳細(xì)分析和精確測量來確定。

火星大氣的主要成分是二氧化碳，但也含有一些臭氧。25年前，加州大學(xué)圣地亞哥分校的化學(xué)教授馬克·蒂曼斯和他的同事首次描述了物理和化學(xué)現(xiàn)象，表明富含重同位素的臭氧中氧同位素的平衡非常奇怪。

沙欣說：“當(dāng)臭氧與大氣中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)時(shí)，臭氧會將其同位素的奇怪性質(zhì)轉(zhuǎn)移到新分子上。”作為海德堡大學(xué)的博士生，她研究了氧同位素的交換過程。當(dāng)二氧化碳與水反應(yīng)生成碳酸鹽時(shí)，同位素的性質(zhì)得以保留。

碳酸鹽中同位素的奇異程度反映了其形成過程中水和臭氧的數(shù)量。這是一個有39億年歷史的穩(wěn)定礦物氣候記錄。水越多，奇怪的臭氧信號就越弱。

研究小組在隕石中的碳酸鹽中發(fā)現(xiàn)了一個明顯的臭氧信號，這表明當(dāng)時(shí)火星上有水，但不太可能有巨大的海洋。然而，仍有可能證明早期火星表面存在較小的海洋。

“對同一樣本中碳同位素的同步測量也有了新的發(fā)現(xiàn)，這意味著隕石中的不同礦物有自己獨(dú)立的來源。”沙欣說，“這些礦物向我們展示了火星大氣中二氧化碳的化學(xué)成分和同位素組成。”

盡管該結(jié)構(gòu)的生物學(xué)起源已經(jīng)被放棄，但一些科學(xué)家認(rèn)為，隕石ALH84001中存在的碳酸鹽管是微生物生命的可能證據(jù)。2014年2月16日，NASA宣布了“好奇號”發(fā)現(xiàn)的甲烷形式的火星生命存在的另一個潛在證據(jù)。生物通過吸收礦物質(zhì)從而沉積碳酸鹽來建造骨骼，但研究團(tuán)隊(duì)對礦物質(zhì)的檢測并非如此。沙欣說：“我們發(fā)現(xiàn)的碳酸鹽并非來自生物，但內(nèi)部異常的氧同位素告訴我們這是非生物碳酸鹽。”

通過使用多種方法來檢測同位素，化學(xué)家發(fā)現(xiàn)碳酸鹽中只含有微量的碳-13，而氧-18含量豐富。也就是說，在火星大撞擊期間，大氣中的碳-13含量比現(xiàn)在低得多。

火星大氣的大量流失可能導(dǎo)致碳和氧同位素的相對頻率發(fā)生變化。一般來說，行星冷表面的液態(tài)水流需要更厚的大氣層。“我們對太陽系中最早的氧氣-水系統(tǒng)有了更深入、更具體的了解。”蒂蒙斯說，“現(xiàn)在的問題是，地球和火星是什么時(shí)候開始有水的？火星上的水在哪里？我們?nèi)〉昧司薮蟮倪M(jìn)步，但仍有許多未解之謎。”