Jsme opravdu sami?
| 8. 10. 2017Metan na Marsu nesignalizuje přítomnost života. Vysvětlení přináší nová studie publikovaná v časopise Nature Astronomy. A také článek, který pro Vesmír napsali její autoři.
Záhadu přítomnosti metanu na Marsu může vysvětlit fotochemická reakce oxidu uhličitého na povrchu kyselých minerálů. Studie publikovaná nedávno v časopise Nature Astronomy shrnuje výsledky výzkumu, který ukázal, že jednoduchá reakce proběhne na rudé planetě za zcela běžných podmínek v atmosféře bohaté na oxid uhličitý působením měkkého ultrafialového záření na povrch jílů nebo anatasu okyselených kyselinou chlorovodíkovou. Tedy bez přispění jakýchkoliv mikrobů.
S rozvojem spektroskopických technik schopných odhalit chemické složení vzdálených planet vyvstala otázka, není-li možné najít sloučeninu, která by poukázala na možnou přítomnost života na nich – byla by tedy „markerem života“.
V roce 2016 dokonce vyšel ve známém časopise Astrobiology seriózní vědecký článek, který tuto problematiku detailně popisuje a uvádí celé seznamy potenciálních „astrobiomarkerů.“ (1) Mezi těmito molekulami je uveden také metan, uvolňovaný pozemskými mikroorganismy procesem metanogeneze. Dobře známá je například produkce metanu v čističkách odpadních vod, skládkách či kafileriích.
Mělo se za to, že na kamenných planetách se metan může vyskytovat pouze v souvislosti s existencí života. O to větší překvapení nastalo, když byl objeven mnohem blíže, než se nalézá nejbližší známá exoplaneta – na terestrickém trpasličím bratru Země, rudém Marsu.
První stopy
Historie metanu na rudé planetě se začala psát v roce 2003. Tehdy Michael Mumma (obr. 1) z Goddardova kosmického střediska NASA objevil zdroj tohoto plynu na její severní polokouli. Výsledky byly nicméně publikovány až v roce 2009 (2).
Co se týká marťanské atmosféry (její profil ukazuje obrázek níže), hovoří se o ní jako o silně oxidovaném typu, v němž jsou chemické reakce řízeny hlavně UV zářením ze Slunce. Hlavním atmosférickým plynem je oxid uhličitý (95,3%), objevený již v roce 1947 Gerardem Peterem Kuiperem (1905-1973), když korigoval proti svitu Měsíce spektroskopický záznam záření Marsu v blízké infračervené oblasti (3). Oxid uhličitý je následován dusíkem (2,7 %), argonem (1,6%), kyslíkem (0,13%), oxidem uhelnatým (0,07%) a vodní parou (do 300 ppm).
Při tomto atmosférickém složení Mumma téměř jednoznačně přisoudil přítomnost metanu existenci mikrobů, protože nebyly známy jiné mechanismy, které by mohly tento nestabilní plyn na Marsu produkovat.
Napsal tak další ze série fascinujících zpráv, které referují o životě na rudé planetě. Giovanni Virginio Schiaparelli (1835-1910), tehdejší ředitel observatoře v Miláně, zmapoval v roce 1877 při pozorování Marsu podlouhlé struktury, které nazval kanály.
V roce 1894 Percival Lowell (1855-1916), amatérský, ale velmi bohatý astronom z Bostonu, tato pozorování zopakoval a přisoudil kanálům umělý původ.
Ve skutečnosti však tyto struktury vznikají pouze jako výsledek hry světel a stínů. Problém života na Marsu byl tehdy odsunut do říše (byť velmi kvalitní) vědeckofantastické literatury. Myšlenka se však po 82 letech vrátila. V roce 1976 slavné sondy Viking přidaly ke vzorkům marťanské půdy izotopově značené živiny (14C – glycin, alanin, mravenčan sodný, mléčnan sodný a glykolát sodný) (4). Cílem bylo zjistit, zda se zplodiny případného metabolismu neobjeví v kultivační komůrce. Ve stručnosti: někdy se objevily, jindy ne. Výsledek tak nebyl jednoznačný.
Tato rozporuplnost se vysvětluje chemickým složením povrchu. 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, perchloráty a superoxidy na povrchu Marsu. Tyto podmínky jsou nepřátelské pro jakékoliv organické látky a reaktivita zmíněných chemikálií v kombinaci s marťanskými horninami představuje pro vědu jednu velkou neznámou. Udává se, že takto nepřátelský může být povrch planety až do hloubky několika metrů (5). Přesto se první organickou látkou detekovanou na Marsu se stal v roce 2015 chlorbenzen (6).
Zkamenělé sinice
Bohužel, s existencí života má tato látka společné pouze to, že jej produkuje chemický průmysl naší civilizace jako důležité rozpouštědlo. Jak jdou ale tato fakta dohromady s objevem údajně zkamenělých sinic v marťanském meteoritu ALH 84001 z Allanových hor v Antarktidě?
V roce 1996 referoval David McKay s Johnsonova vesmírného centra NASA v Houstonu, že v tomto meteoritu starém 4 miliardy let objevil struktury magnetitu podobné fosilním bakteriím (viz obrázek níže). Vědecká komunita dodnes není schopna tuto domněnku jednoznačně potvrdit, ani popřít.
Jestliže život na Marsu existoval před 4 miliardami let, nemohl setrvat do současné doby pod povrchem planety? Pokud ano, je jistě možné, že metabolismus přeživších bakterií by mohl fungovat na základě procesů nevyžadujících sluneční záření – například metanogeneze.
Zde se vracíme zpět k původní domněnce Michaela Mumma. Od doby jeho objevu bylo zjištěno, že koncentrace metanu v marťanské atmosféře patrně pravidelně oscilují v závislosti na ročních obdobích. Další analogie s pozemským životem. Je ještě možné pochybovat?
O mikrobech na Marsu si myslí své i Steven Sholes, astrobiolog z Washingtonské university. Prozkoumal možnou mohutnost současné mikrobiální biomasy vzhledem k mohutnosti (či spíše nemohutnosti) a složení atmosféry Marsu (7). Jelikož na Marsu nepozorujeme fotosyntetizující organismy, lze předpokládat, že oxid uhličitý nebude jejich potravou, ale možná produktem metabolismu. Je zajímavé, že Sholes nemluví o metanogenech. Podle něj by ale mikrobi mohli dost dobře zpracovávat oxid uhelnatý. Jeho koncentrace však odpovídá biomase sto mikrobů v mililitru marťanské půdy. A to je zoufale málo.
Jak získat metan
Paralelně s příběhem metanu na Marsu se odvíjí výzkum v oblasti fotokatalyzátorů. Jeho motorem není hledání života v kosmických dálkách, ale touha objevit materiály využívající všudypřítomného slunečního světla k syntéze chemických produktů, k čištění vzduchu nebo povrchů. Již v sedmdesátých letech 20. století bylo zjištěno, že k tzv. fotoelektrokatalytické redukci oxidu uhličitého na organické látky (metan, metanol, formaldehyd) lze využít oxid titaničitý (8).
V devadesátých letech a následně pak v našem století tento výzkum zaznamenal doslova boom. Motivace byla jasná: získat ze skleníkového plynu oxidu uhličitého metan nebo jiné organické látky, které se stanou palivem v uzavřeném uhlíkovém cyklu. To vše pouze s využitím slunečního světla.
Nabízí se přitom otázka, zda nějaký podobný materiál vyskytující se na Marsu nemůže působením slunečního svitu produkovat metan z hlavní složky atmosféry, oxidu uhličitého. Tuto otázku si nezávisle na sobě položili Svatopluk Civiš (9) a Ilya Shkrob (10) v roce 2012.
Svatopluk Civiš spolu se svým studentem a nynějším kolegou Martinem Ferusem formulovali projektový návrh, který sice nebyl přijat, ale obsahoval jeden malý odstavec odkazující na možnou roli fotoaktivních minerálů ve vzniku metanu na Marsu. Anonymní oponent označil ve svém posudku tuto myšlenku „za velice zajímavou.“
V témže roce pak vychází Shkrobova studie zabývající se mechanismem přeměny oxidu uhličitého na metan, která v posledním odstavci přidává jako by nádavkem domněnku, že metan na Marsu pochází právě z atmosférického oxidu uhličitého na fotoaktivních materiálech. Zajímavé jsou cesty vědeckého pokroku – Civiš s Ferusem Shkrobovu práci nemohli znát, protože vyšla až po odevzdání projektového návrhu.
Uběhla řada let vyplněných hodinami strávenými v laboratoři. Svatopluk Civiš s Martinem Ferusem, studentem Antonínem Knížkem a dalšími kolegy pracovali na důkazu, že metan vzniká na jednoduchých minerálech. Dnes již víme, že tento plyn je syntetizován nejenom na povrchu anatasu (krystalická forma oxidu titaničitého), ale podle našich závěrů také na obyčejných jílech, oxidu hlinitém, sulfidu kademnatém či kaolinitu. Podařilo se také potvrdit mechanismus jeho vzniku a zjistit množství, které jednotlivé materiály produkují.
Zdá se, že koncentrace zjištěné v atmosféře Marsu přesně odpovídají „výkonnosti“ těchto fotoaktivních katalyzátorů. Jak již bylo zmíněno, koncentrace metanu projevují sezónní kolísání. Nové výsledky ukazují, že se tak může dít v závislosti na množství adsorbované vody a oxidu uhličitého na povrchu marťanského regolitu (vrstvy nezpevněného, různorodého horninového materiálu, který pokrývá celistvé podloží). Během příchodu léta roste intenzita ultrafialového záření a s tím i produkce metanu na minerálních površích. Zároveň však klesá množství sorbovaných atmosférických plynů a metan se rozkládá, takže jeho koncentrace začne rychle klesat.
Vzrušující může být zjištění, že tuto metanogenezi na povrchu reaktivních minerálů lze dát do souvislosti také s prvotní chemií na Zemi (a Marsu) před vznikem života.
Samozřejmě, těžko takto vysvětlíme vznik života na naší planetě, tím méně jeho hypotetický vznik na raném Marsu nebo třeba na Venuši, o níž se spekuluje, že dříve nebyla pekelným světem zahaleným oblaky kyseliny sírové.
Záhada vzniku života
Samotný vznik základních stavebních kamenů života – bází genetického kódu, případně aminokyselin a cukrů je pro chemiky rovněž velkou záhadou. Podle některých studií obsahovala atmosféra rané Země hlavně oxid uhličitý a vodní páru (11). Nedávno však bylo zjištěno (12), že geologické vzorky spíše vypovídají o přítomnosti tzv. redukčních plynů – například metanu a oxidu uhelnatého – které právě vznikají na povrchu fotoaktivních minerálů.
Svatopluk Civiš spekuluje, že na Zemi možná docházelo aspoň k časově a místně omezenému fotochemickému vzniku metanu a oxidu uhelnatého z praatmosféry bohaté na oxid uhličitý. Jen patrně ve větším měřítku, než na současném Marsu. Vždyť praatmosféra Země obsahovala snad až 200 bar tohoto plynu. Přehřátý papiňák tak mohl být zároveň fotochemickým reaktorem.
Je rovněž známo, že na rozdíl od oxidu uhličitého je metan ve směsi s molekulami obsahujícími dusík a kyslík (například molekulárním dusíkem, čpavkem, vodní parou) poměrně reaktivní. Zabýváme se i vznikem biomolekul působením impaktů asteroidů, které simulovali pomocí pulsů vysoce výkonného laseru PALS (Prague Asterix Laser System) provozovaného Ústavem fyziky plazmatu ve spolupráci s Fyzikálním ústavem (AV ČR).
Zjistili jsme, že základní báze genetického kódu mohou při této strašlivé události vzniknout nejen ze složitějších látek, jakou je například formamid (13), ale také z jednoduchých směsí čpavku a oxidu uhelnatého (14) simulujících tzv. Millerův experiment, který na konci padesátých let minulého století demonstroval vznik aminokyselin působením elektrického výboje na jednoduché plyny simulující pradávnou atmosféru.
Za tyto výsledky byl Miller velmi kritizován, protože se mu podařilo syntetizovat právě pouze aminokyseliny, nikoliv však báze genetického kódu. Jenže právě ty jsou součástí ribonukleové kyseliny, která patrně byla základem prvotního života – světa RNA.
Otázkou zůstávalo: Mohou vzniknout základní báze RNA světa také z metanu, oxidu uhelnatého a dusíku účinky rázové vlny při dopadu asteroidu na povrchu stejných fotokatalyzátorů, na nichž jsou tyto jednoduché plyny syntetizovány slunečním zářením?
Autorům zmíněné studie publikované v Nature Astronomy se podařilo zjistit, že ano. Dostáváme se tak od jednoduché atmosféry obsahující pouze oxid uhličitý fotochemicky ke směsi reaktivních redukčních plynů metanu a oxidu uhelnatého a pak působením plazmatu simulujícího impakt asteroidu k nukleovým bázím. Kruh se tímto uzavřel.
Červená karta pro metan
O detekci metanu v atmosféře současného Marsu lze říci, že tato chemikálie jako marker života dostává červenou kartu, protože jí lze snadno syntetizovat na povrchu fotoaktivních minerálů v atmosféře oxidu uhličitého, tedy za marťanských podmínek bez přispění metanogenních mikroorganismů.
Jednoduchost této chemické reakce poukazuje na skutečnost, že tato umělá fotosyntéza mohla v mnohem větším měřítku probíhat na rané Zemi a snad možná i na raném Marsu či Venuši. Ve stejné době byly tyto planety také vystaveny impaktům asteroidů, které těsně po vzniku planet bloudily po nestabilních drahách jako smetí zbylé po jejich formování. Jakmile byla reaktivní atmosféra obsahující metan, oxid uhelnatý a dusík rozčísnuta jejich dopadem, působením horkého plazmatu vznikly základní komponenty života. To mohlo platit pro obě terestrické sestry i jejich bratra.
Současná existence života na Marsu byla možná vyvrácena, ale zcela jistě lze hovořit o jeho možné existenci v minulosti této planety. Nezáleží tolik na tom, zda uvažujeme o vzniku života na Marsu nebo Zemi (viz titulní snímek). V procesech, které produkují biomolekuly, se možná obě planety v minulosti nelišily.
Na článku se podíleli také Antonín Knížek a Svatopluk Civiš.
Poděkování: Autoři článku děkují Ústavu fyziky plazmatu AV ČR za realizaci experimentů provedených na vysoce výkonném laseru PALS (Prague Asterix Laser System), který je provozován jako společné badatelské pracoviště ve spolupráci s Fyzikálním ústavem AV ČR. Velký dík patří Grantové agentuře ČR za podporu našeho výzkumu v rámci projektů reg. č. 17-05076S a 13-07724S a Akademii věd ČR za podporu souvisejících projektů programu spolupráce pracovišť AV ČR s regionálními partnery reg. č. R200401721 a R200401521.
Více o autorech článku The origin of methane and biomolecules from a CO2 cycle on terrestrial planets v Nature Astronomy
Svatopluk Civiš
je český fyzikální chemik, přední odborník na aplikovanou a experimentální spektroskopii v oblasti vysoce citlivých analytických technik, dálkové detekce molekul, atomů a iontů ve vesmíru, laboratorních metod pro simulaci procesů v mezihvězdném prostoru, planetárních a hvězdných atmosférách a chemii laserového plazmatu a elektrických výbojů o vysoké energii. V České republice jako první rozvinul sofistikované metody laserové a fotoakustické detekce a vysoce rozlišené spektrometrie s Fourierovou transformací. Ve spolupráci s japonskou Univerzitou Okajama vyvinul světově unikátní metodu tzv. časově rozlišené Fourierovy spektrometrie s kontinuálním skenováním, která dovoluje studovat dynamiku dějů probíhajících v plazmatu s mikrosekundovým rozlišením a hraje nenahraditelnou úlohu v základní spektroskopii atomů v infračervené a mikrovlnné oblasti. Je jedním ze zakladatelů výzkumu vzniku biologických látek vlivem dopadů asteroidů na naši planetu v době chemické evoluce života.
Martin Ferus
vystudoval fyzikální a environmentální chemii na Univerzitě Karlově v Praze. V roce 2005 začal pracovat na Oddělení spektroskopie Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, kde setrval až do současnosti. Věnuje se experimentální aplikaci spektroskopie v materiálové chemii, detekci, analýze či vývoji vysoce výkonných pevnolátkových zdrojů světla. Hlavním tématem jeho výzkumů je nicméně kosmochemie se zaměřením na chemickou evoluci biomolekul a jejich prekurzorů během formování a vývoje planet. Za práce dokazující jejich syntézu účinky rázové vlny při dopadu asteroidů byl oceněn Prémií Otta Wichterleho a cenami Hlávkovy nadace a Učené společnosti ČR. Martin Ferus je amatérským astronomem a astrochemii jako relativně nový vědecký obor se snaží veřejnosti přiblížit v řadě popularizačních přednášek.
Antonín Knížek
patří mezi nadějné vědce. V současné době je studentem fyzikální chemie na UK v Praze. Pod vedením Martina Feruse a Svatopluka Civiše začal v laboratoři pracovat v roce 2014 a v současné době zde vypracovává svou diplomovou práci. Věnuje se problematice chemismu vzniku biomolekul, chemii pevné fáze a chemii planetárních atmosfér a jejich transformacím. Během svého působení v této laboratoři se stal autorem či spoluautorem 12 publikací. V rámci popularizační činnosti přednášel na Přírodovědecké fakultě na Semináři z astrobiologie. Ve volném čase se učí švédsky a hraje na klavír a basovou kytaru.
Ladislav Kavan
je průkopníkem v elektrochemii nanomateriálů. Tým prof. Kavana prokázal možnost elektrochemické syntézy TiO2, polyynů, fullerenů a uhlíkových nanotrubic. V roce 2000 jako první zavedl metodu optické spektroelektrochemie uhlíkových nanotrubic a rozpracoval Ramanovu spektroelektrochemii uhlíkových nanostruktur. Publikoval pionýrské práce o monokrystalu anatasu a organizovaných filmech TiO2 (2000). Demonstroval solární článek s organizovanou mesoporézní fotoanodou (2005). Prokázal možnost eletrochemické přípravy TiO2 Q-částic (1993) a inverzního opálu (2004). Objevil efekt pseudokapacitní inzerce Li+ (2005) a „nanotube wiring“ (2007), které jsou významné pro vývoj Li-baterií a superkondenzátorů. V letech 2011-16 publikoval zásadní studie o aplikaci grafenu pro Graetzelův solární článek. Tyto práce přispěly k vývoji nového typu vysokonapěťového (> 1 V) solárního článku s účinností přes 14 %.
Markéta Zukalová
vystudovala fyzikální a anorganickou chemii na Přírodovědecké fakulty UK. Od roku 1987 pracovala v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, nejdříve v oddělení katalýzy a od roku 2005 pracuje v oddělení elektrochemických materiálů.
Věnuje se výzkumu v oblasti nových materiálů na bázi polovodivých oxidů se speciální morfologií pro pokročilé lithiové a sodíkové baterie a solární články. Je autorkou či spoluautorkou více než 90 vědeckých publikací.
Petr Kubelík
působí jako kmenový pracovník oddělení spektroskopie v laboratoři vysoce rozlišené spektrometrie v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR. Jako student magisterského oboru Chemie životního prostředí na UK se zde věnoval vysoce rozlišené FTIR spektroskopii radikálů vznikajících v doutnavém výboji. Jeho dizertační práce pak byla zaměřena na vysoce rozlišenou spektroskopii výbojového a laserového plazmatu. Nyní se zabývá především simulacemi a interpretací spekter plazmatu buzeného různými zdroji (např. laserovou ablací nebo elektrickými výboji v plynech). Jedním z témat je i simulace a analýza spekter meteorů.
Ondřej Ivanek
se jako fyzikální chemik a analytik zabýval monitorováním toxických látek v životním prostředí. Při výzkumu chování vody v zeminách různých půdních typů studoval strukturu vodních klastrů na silikátových površích. Věnoval se i vývoji metod v oblasti molekulární genetiky rostlin a jejich využití při identifikaci klonů. V současné době se zabývá analýzou biomolekul a jejich prekurzorů v reakčních směsích, které byly vytvořeny v podmínkách modelujících rané fáze planetárního vývoje.
Literatura
[1] Seager S., Bains W., Petkowski J.J. : Toward a List of Molecules as Potential Biosignature Gases for the Search for Life on Exoplanets and Applications to Terrestrial Biochemistry. Astrobiology 16, 465–485, 2016/6.
[2] Mumma M.J. et al.: Strong Release of Methane on Mars in Northern Summer 2003. Science 323, 1041–1045, 2009/5917.
[3] Kuiper G.P. : The Atmospheres of the Earth and Planets, University of Chicago, Chivago 1952.
[4] Levin G. V. , Straat P.A.: Completion of the viking labeled release experiment on Mars. J. Mol. Evol. 14, 167–183, 1979/1-3.
[5] Westall F. et al.: Biosignatures on Mars: What, Where, and How? Implications for the Search for Martian Life. Astrobiology 15, 998–1029, 2005/11 .
[6] Freissinet C. et al.: Organic molecules in the Sheepbed Mudstone, Gale Crater, Mars. J Geophys Res 120, 495–514, 2015/11.
[7] Holmes B.: Martian life must be rare as free energy source remains untapped. New Scientist on 13 May 2017/3125.
[8] Inoue T., Fujishima A., Konishi S., Honda K.: Photoelectrocatalytic reduction of carbon-dioxide in aqueous suspensions of semiconductor powders. Nature 277, 637–638, 1979/5698.
[9] Civiš S., Ferus M .: Laser photonics of metal and metal oxide nanoparticles. Proj Propos – Grant Agency Czech Repub. no. 13-11537S, 2012.
[10] Shkrob I.A., Marin T.W., He H., Zapol P.: Photoredox Reactions and the Catalytic Cycle for Carbon Dioxide Fixation and Methanogenesis on Metal Oxides. J. Phys. Chem. C 116, 9450–9460,, 2012/17.
[11] Kasting J.F.: Earths early Atmosphere. Science 259, 920–926, 1993/5097.
[12] Yang X., Gaillard F., Scaillet B.: A relatively reduced Hadean continental crust and implications for the early atmosphere and crustal rheology. Earth Planet Sci. Lett. 393, 210–219, 2014.
[13] Ferus M. et al. :High-energy chemistry of formamide: A unified mechanism of nucleobase formation. Proc. Natl. Acad. Sci. 112, 657–662, 2015/3.
[14] Ferus M. et al.: Formation of Nucleobases in a Miller-Urey Reducing Atmosphere. Proc. Natl. Acad. Sci. 114, 4306–4311, 2017/17.
O autorovi
Martin Ferus
Doporučujeme
Pěkná fotka, nebo jen fotka pěkného zvířete?
Do srdce temnoty 
