S rozvojem postupů schopných odhalit chemické složení vzdálených planet, tedy spektroskopie, se objevila otázka, zda není možné najít sloučeninu, která by poukázala na možnou přítomnost života na nich. Byla by tedy „znakem života“, ale i čeští vědci používají spíše anglický výraz „marker“.
O autoroviRNDr. Martin Ferus, Ph.D., (*1983) vystudoval fyzikální a environmentální chemii na UK v Praze. V roce 2005 začal pracovat v oddělení spektroskopie Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, kde se dnes věnuje 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. Je amatérským astronomem a astrochemii jako relativně nový vědecký obor se snaží veřejnosti přiblížit v řadě popularizačních přednášek. |
V roce 2016 dokonce vyšel ve známém časopise Astrobiology seriózní vědecký článek, který tuto problematiku detailně popisuje a uvádí celé seznamy potenciálních „astrobiomarkerů“ (v PDF). Mezi těmito molekulami je uveden také metan, uvolňovaný pozemskými mikroorganismy v procesu známém odborně jako metanogeneze. Jak víme, metan vzniká například v čističkách odpadních vod, na skládkách či v 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 trpasličím bratru Země, rudém Marsu.
První stopy
Historie metanu na rudé planetě se začala psát v roce 2003. Tehdy Michael Mumma z Goddardova kosmického střediska NASA objevil zdroj tohoto plynu na její severní polokouli. Výsledky byly nicméně publikovány až v roce 2009. (Metan byl navíc na planetě zachycován pravidelně, například i vozítkem Curiosity.)
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. 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). Cílem bylo zjistit, zda se zplodiny případného metabolismu neobjeví v kultivační komůrce. Ve stručnosti: někdy se objevily, jindy ne. Výsledek tak nebyl jednoznačný.
Atmosféra Marsu (celý snímek se objeví po rozkliknutí)
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. Přesto, první organickou látkou detekovanou na Marsu se stal v roce 2015 chlorbenzen.
Zkamenělé sinice
Bohužel s existencí života má tato látka společné pouze to, že jej produkuje chemický průmysl naší civilizace coby důležité rozpouštědlo. Ale jak jdou tato fakta dohromady s objevem údajně zkamenělých sinic v marťanském meteoritu ALH 84001 z Allanových hor v Antarktidě?
V roce 1996 referoval David McKay z Johnsonova vesmírného centra NASA v Houstonu, že v tomto meteoritu starém čtyři miliardy let objevil struktury magnetitu podobné fosilním bakteriím. Vědecká komunita dodnes není schopna tuto domněnku jednoznačně potvrdit, ani popřít.
Jestliže život na Marsu existoval před čtyřmi 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 metanogenezí.
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?
Meteorit ALH 84001 z Marsu s detailem, považovaným za produkt bakterií
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. 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.
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 a Ilya Shkrob 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 jakoby 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 nejen 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 sezonní 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. Nedávno však se však zjistilo, 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 k aspoň 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 molekulární dusík, čpavek, vodní pára) 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, ale také z jednoduchých směsí čpavku a oxidu uhelnatého 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, zda 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.
Ve studii publikované v časopise Nature Astronomy se nám 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 ji lze snadno syntetizovat na povrchu fotoaktivních minerálů v atmosféře oxidu uhličitého, tedy za marťanských podmínek bez přispění metanogenních mikroorganismů.
Koncentrace atmosférických plynů a metanu v závislosti na ročním období
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 coby 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 foto). V procesech, které produkují biomolekuly, se možná obě planety v minulosti nelišily.
Článek vznikl pro časopis Vesmír a byl redakčně upraven. Původní verzi najdete zde.
