尽管火星呈现出一片荒芜、尘土飞扬的地貌，迄今为止没有生命迹象，但其三角洲、湖床和河谷等地质特征强烈表明，过去曾有水在其表面大量流动。为了探索这种可能性，科学家研究了这些地层附近保存的沉积物。这些沉积物的成分为早期环境条件、随着时间的推移塑造这颗行星的过程，甚至过去生命的潜在迹象提供了线索。

在一项分析中，好奇号探测器从盖尔陨坑收集的沉积物中发现了有机物质，盖尔陨坑被认为是一个古老的湖泊，大约 38 亿年前因小行星撞击而形成。然而，与地球上发现的相比，这种有机物质中的碳-13 同位素 ( 13 C) 含量明显低于碳-12 同位素 ( 12 C)，这表明火星上的有机物质形成过程不同。

现在，2024 年 5 月 9 日发表在《自然地球科学》杂志上的一项研究阐明了这种差异。由东京工业大学的 Yuichiro Ueno 教授和哥本哈根大学的 Matthew Johnson 教授领导的研究小组发现，大气中的二氧化碳 (CO 2 ) 光解离为一氧化碳 (CO)，随后被还原，导致有机物中的13 C 含量耗尽。

“通过测量13 C 和12 C之间的稳定同位素比，火星有机物的13 C 丰度为碳的 0.92% 至 0.99%。与地球沉积有机物(约 1.04%)和大气 CO 2(约 1.07%)相比，这一比例极低，后两者均为生物残留物，与陨石中的有机物(约 1.05%)并不相似，”Ueno 解释道。

早期火星大气富含 CO2，其中同时含有13 C 和12 C 同位素。研究人员在实验室实验中模拟了火星大气成分和温度的不同条件。他们发现，当12 CO2暴露于太阳紫外线 (UV) 光时，它会优先吸收紫外线辐射，导致其分解为13 C 含量低的 CO，留下富含13 C的 CO2 。

这种同位素分馏(同位素分离)在火星和地球的高层大气中也观察到，太阳的紫外线照射导致 CO 2分解为 CO，13 C 含量减少。在还原性火星大气中，CO 转化为简单的有机化合物，如甲醛和羧酸。在火星早期，表面温度接近水的冰点，不超过 300 K(27°C)，这些化合物可能溶解在水中并沉淀在沉积物中。

研究人员通过模型计算发现，在二氧化碳与一氧化碳比例为 90:10 的大气中，二氧化碳转化为一氧化碳的 20% 将导致沉积有机物，其 δ 13 C VPDB值为 -135‰。此外，剩余的二氧化碳将富含13 C，其 δ 13 C VPDB值为 +20‰。这些值与好奇号探测器分析的沉积物中的值以及从火星陨石中估算的值非常接近。这一发现表明，大气过程而非生物过程是早期火星有机物形成的主要来源。

“如果这项研究的估计是正确的，那么火星沉积物中可能含有意想不到数量的有机物质。这意味着未来的火星探索可能会发现大量有机物质，”上野说。