Геохимическое исследование может помочь выявить микробную активность в горных породах Земли и, возможно, в марсианских отложениях

Сульфатные минералы, содержащие кислород, улавливают и сохраняют сигналы земной атмосферы, поэтому ученые внимательно изучают их образование. Сульфаты стабильны в течение миллиардов лет, и их изотопы кислорода рассматриваются как капсула времени, отражающая атмосферные условия на ранней Земле — и, возможно, на ее планетарном соседе Марсе.

Новое исследование под руководством геохимика из Университета Юты изучает, как сульфат образуется при окислении пирита (известного как «золото дураков») в средах, кишащих микробами, по сравнению со средами без них. Исследователи сосредоточились на испанской реке Рио-Тинто, загрязненной реке в регионе, где тысячи лет добывали железо и медь.

Статья «Triple-oxygen isotopic evidence of prolonged direct bioleaching of pyrite with O₂» опубликована в Earth and Planetary Science Letters.

То, что осталось в холмах Андалусии, может быть экологической катастрофой, но ученые теперь рассматривают это как аналог того, какой могла быть поверхность Марса в прошлом.

Эти кислые шахтные воды богаты сульфатами и бактериями, окисляющими как серу, так и железо. Команда измерила «тройные изотопы кислорода» (соотношения ¹⁷O/¹⁶O и ¹⁸O/¹⁶O) в сульфате, чтобы определить, какая доля кислорода поступает непосредственно из воздуха по сравнению с водой.

«Это первый случай, когда мы наблюдаем в естественных, а не лабораторных условиях, что прямое взаимодействие между O₂ и серой пирита может поддерживаться, если условия окружающей среды подходящие», — сказал ведущий автор Иссаку Кол, доцент-исследователь кафедры геологии и геофизики.

«Поскольку мы смогли идентифицировать эту нишу, у нас теперь есть геохимические маркеры или критерии, которые позволят найти подобную среду или ее следы в горных породах, будь то на Земле или во внеземных условиях».

Исследование сосредоточилось на бактерии Acidithiobacillus ferrooxidans, которая считается одной из древнейших групп микробов, потенциально производивших энергию до эволюции фотосинтеза.

Команда обнаружила, что в богатых микробами кислых средах A. ferrooxidans вызывает окисление пирита таким образом, что в сульфате сохраняется необычно высокая доля — более 80% и до 90% — атмосферного кислорода (O₂).

В отличие от лабораторных экспериментов, где этот сигнал быстро исчезает по мере включения сульфатом O₂ из воды, микробно-активная экосистема Рио-Тинто сохраняет этот сильный атмосферный отпечаток.

Таким образом, сульфатные отложения сохраняют не только атмосферные и экологические условия — они также могут нести микробную «биосигнатуру». Такие сигнатуры могут помочь ученым интерпретировать сульфатные минералы на Марсе или в древних земных породах как потенциальную запись как атмосферных условий, так и микробной активности.

Марсианские отложения содержат эвапориты с обильными сульфатными минералами, но ученые еще не знают, как эти сульфаты образовались.

«Согласно текущей основной гипотезе, это произошло в результате атмосферного окисления вулканического диоксида серы (SO₂). Но такие среды имеют характерные геохимические сигнатуры, которые указывают, происходило ли это, вероятно, в виде аэрозоля и окислялось в атмосфере при относительно высокой температуре и, следовательно, вряд ли было связано с жизнью», — сказал Кол.

Но это не исключает возможности того, что в локальных средах могли существовать гиперкислые жидкости, окислявшиеся на границе вода-порода, подобно тому, как в экспериментах Кола и в Рио-Тинто образовывался сульфат.

Исследование описывает подход к анализу данных по изотопам кислорода из марсианских отложений на признаки жизни, если образцы когда-либо будут доставлены на Землю. Марсоходы NASA Curiosity и Perseverance собирают образцы с 2012 и 2021 года соответственно в надежде когда-нибудь доставить их обратно на Землю.

Но Кол подчеркнул, что науке еще далеко до возможности определить, содержат ли образцы горных пород с Марса убедительные доказательства прошлой микробной жизни. Во-первых, образцы должны указывать на среду с очень низким pH (кислую), где доминирует окисление O₂ и которая богата ионом железа(²⁺).

«Мы никогда не сможем полностью отказаться от наших допущений, пытаясь связать горные породы с условиями, с которыми мы имеем дело в реальном времени в современную эпоху», — сказал Кол. — «Если мы предположим, что знаем количество атмосферного O₂ в сульфате, мы можем рассчитать обратно изотопный состав O₂, который участвовал в образовании этих сульфатов».

И пока мы ждем межпланетных путешествий, которые доставят нам марсианские породы, эти открытия могут открыть новые направления исследований условий окружающей среды на Земле миллиарды лет назад, когда начала эволюционировать микробная жизнь и в атмосфере впервые появился кислород.