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遠古火星曾經有過富含礦物質的鹽水，適合生命生存

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2019年11月13日 -
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客觀日本
金澤大學環日本海環境研究中心副教授福士圭介和自然科學研究科碩士一年級學生森田康暉，與東京工業大學地球生命研究所關根康人教授、美國哈佛大學Robin Wordsworth副教授及日本物質材料研究機構的佐久間博主任研究員等組成的研究團隊，全球首次成功復原了遠古火星上的水質信息，並確認其鹽度和酸鹼度(pH值)等適合生命的誕生及生存。 
此前經歐美的軌道衛星和火星探測器調查，已確認火星表面存在河床痕跡等流水地形以及在水作用下生成的礦物質，證明在大約35～40億年前的遠古火星上存在過液態水。 但鹽度和pH值等對判斷是否存在過生命的關鍵水質信息卻一直不甚明了。 
美國國家航空航天局（NASA）的好奇號火星探測器在其登陸的蓋爾環形山內部發現了巨大的鹽水湖遺蹟。 本次研究即利用在地球放射性廢物處理領域開發的技術獨立解析了鹽水湖底沉積物的探測數據。 結果顯示，火星上的遠古水中，含鹽量為地球上海水的三分之一左右，pH值為中性，而且富含礦物質和能量物質，非常適宜生命生存。 另外，要想達到這樣的水質組成，大約要在100萬年的時間裡源源不斷地將鹽分和礦物質通過河流運到湖泊中逐漸濃縮才能實現。 這種溶質集中濃縮的過程往往被認為是生命誕生所必不可少的。 
這些發現改寫了人類對火星的認知，從之前的「曾經存在水的行星」躍變成現在的「適合生命誕生和生存的行星」。 此次運用的水質復原法，還將用於分析下面日本小行星探測器「隼鳥2號」帶回的樣本。 
相關研究成果已於2019年10月25日發表在英國科學期刊《自然通訊》（Nature Communications）上。 
研究背景
軌道衛星和火星探測器此前在火星上發現了大約35億年前遠古時期曾經存在大面積液態水的證據，讓火星以前曾存在生命的論戰再次進入人們視線。 不過，想要驗證是否真的存在過生命，不是只證明是否有過水那麼簡單，還必須查明pH值、鹽分組成、溶質濃度等基本水質參數及其周圍的環境。 NASA好奇號火星探測器的登陸地點就是擁有遠古時期巨大鹽水湖遺蹟的蓋爾環形山上，並對當時湖底沉積的淤泥進行了探測（圖1）。 好奇號雖然從沉積物中發現了水化形成的礦物和有機物等，但卻未能獲知已不復存在的水的水質信息。 
圖1：好奇號火星探測器正在調查蓋爾環形山曾經的水環境（圖：NASA）
研究成果
此次，研究團隊將放射性廢物地質處置研究領域開發出來的水質復原法（圖2），應用於好奇號收集的蓋爾環形山沉積物數據分析，全球首次復原了遠古火星上曾經存在的水的水質（表1）。 
圖2：放射性廢物地質處置領域開發的利用蒙皂石層間成分的水質復原法
蒙皂石是一類擁有層狀結構粘土礦物蒙皂石的統稱，其層間能保留陽離子（Na+、K+、Mg2+、Ca2+）。 層間保留的陽離子組成由其接觸的水中陽離子成分通過離子交換平衡來決定。 即使接觸的水流失後，那些陽離子也依然被保留在蒙皂石層之間。 因此可以根據被保留下來的層間陽離子成分，逆向推測出曾經流過蒙皂石的水的陽離子成分信息。 另外，水化生成的礦物鹽等與蒙皂石共存時，考慮進這些鹽與水之間的溶解、沉澱反應等後，也可以復原陰離子（Cl-、SO42-、HCO3-）的成分組成和pH值信息。 
表1：本次研究復原的蓋爾環形山湖泊沉積物孔隙的水質結果
pH值與地球上的淡水湖（琵琶湖）和海水接近，同樣為適合生命生存的中性，而且含有豐富的礦物質。 
復原的水質為中性pH，主要溶解成分鈉和氯也與地球上的海洋相同，另外還還含有大量的鎂、鈣等礦物質。 此外，鹽度約為地球海水的1/3，而且還發現存在生命可以利用的能量（氧化還原非平衡）。 復原水質中不含強酸、強鹼或高鹽等對生命機體有害的物質，非常適合生命生存。 
這種湖泊水質是如何實現的呢？根據表面殘留地貌看，蓋爾環形山內湖只有進水河，沒有出水河。 溶解於進水河的微量鹽分和礦物質被一點點攜入湖泊，鹽水湖則通過湖面蒸發來維持水的進出平衡。 不同於出水河，蒸發方式只會減少水，流進來的鹽分和礦物質則被留在了湖中，並隨著時間流逝而不斷富集。 研究團隊根據地球河流典型鹽度和氣候模型得出了蓋爾環形山鹽水湖的蒸發率，進而計算出達到前述復原鹽度所需的富集時間—100萬年左右。 也就是說，在火星早期100萬年左右的溫暖期間，各類微量鹽分被源源不斷運送到湖中並逐漸濃縮。 而這種長期富集溶解物質的場所極為利於有機物的聚合和高分子化，因此被認為是地球生命誕生地的翻版。 如上所述，此次研究團隊證明，蓋爾環形山內存在過的巨大湖泊水質不僅適宜於生命生存，還特別利於生命的誕生。 
未來展望
經過40年的探測，火星是「曾經存在水的行星」的形象已經深入人心。 但由於不清楚過去那些水的具體水質和環境，關於火星生命的討論始終沒有跳出猜想的範疇。 本次研究首次定量明確了火星曾經的水質和環境，把火星的形象升級成了「適合生命誕生和生存的行星」。 如此一來，研究重心就往前推進到了火星上是否曾經存在大範圍適合生命生存的環境、以及這種環境是何時又是以何種方式結束的等新課題上。 另外，在火星樣本返回計劃中，本研究還有助於甄選出最有希望發現生命痕跡的樣本，將其帶回地球。 
論文信息
題目 :Semiarid climate and hyposaline lake on early Mars inferred from reconstructed water chemistry at Gale
期刊 :《自然通訊》
DOI :10.1038/s41467-019-12871-6 outer

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客觀日本

金澤大學環日本海環境研究中心副教授福士圭介和自然科學研究科碩士一年級學生森田康暉，與東京工業大學地球生命研究所關根康人教授、美國哈佛大學Robin Wordsworth副教授及日本物質材料研究機構的佐久間博主任研究員等組成的研究團隊，全球首次成功復原了遠古火星上的水質信息，並確認其鹽度和酸鹼度(pH值)等適合生命的誕生及生存。

此前經歐美的軌道衛星和火星探測器調查，已確認火星表面存在河床痕跡等流水地形以及在水作用下生成的礦物質，證明在大約35～40億年前的遠古火星上存在過液態水。但鹽度和pH值等對判斷是否存在過生命的關鍵水質信息卻一直不甚明了。

美國國家航空航天局（NASA）的好奇號火星探測器在其登陸的蓋爾環形山內部發現了巨大的鹽水湖遺蹟。本次研究即利用在地球放射性廢物處理領域開發的技術獨立解析了鹽水湖底沉積物的探測數據。結果顯示，火星上的遠古水中，含鹽量為地球上海水的三分之一左右，pH值為中性，而且富含礦物質和能量物質，非常適宜生命生存。另外，要想達到這樣的水質組成，大約要在100萬年的時間裡源源不斷地將鹽分和礦物質通過河流運到湖泊中逐漸濃縮才能實現。這種溶質集中濃縮的過程往往被認為是生命誕生所必不可少的。

這些發現改寫了人類對火星的認知，從之前的「曾經存在水的行星」躍變成現在的「適合生命誕生和生存的行星」。此次運用的水質復原法，還將用於分析下面日本小行星探測器「隼鳥2號」帶回的樣本。

相關研究成果已於2019年10月25日發表在英國科學期刊《自然通訊》（Nature Communications）上。

研究背景

軌道衛星和火星探測器此前在火星上發現了大約35億年前遠古時期曾經存在大面積液態水的證據，讓火星以前曾存在生命的論戰再次進入人們視線。不過，想要驗證是否真的存在過生命，不是只證明是否有過水那麼簡單，還必須查明pH值、鹽分組成、溶質濃度等基本水質參數及其周圍的環境。NASA好奇號火星探測器的登陸地點就是擁有遠古時期巨大鹽水湖遺蹟的蓋爾環形山上，並對當時湖底沉積的淤泥進行了探測（圖1）。好奇號雖然從沉積物中發現了水化形成的礦物和有機物等，但卻未能獲知已不復存在的水的水質信息。

圖1：好奇號火星探測器正在調查蓋爾環形山曾經的水環境（圖：NASA）

研究成果

此次，研究團隊將放射性廢物地質處置研究領域開發出來的水質復原法（圖2），應用於好奇號收集的蓋爾環形山沉積物數據分析，全球首次復原了遠古火星上曾經存在的水的水質（表1）。

圖2：放射性廢物地質處置領域開發的利用蒙皂石層間成分的水質復原法

蒙皂石是一類擁有層狀結構粘土礦物蒙皂石的統稱，其層間能保留陽離子（Na+、K+、Mg2+、Ca2+）。層間保留的陽離子組成由其接觸的水中陽離子成分通過離子交換平衡來決定。即使接觸的水流失後，那些陽離子也依然被保留在蒙皂石層之間。因此可以根據被保留下來的層間陽離子成分，逆向推測出曾經流過蒙皂石的水的陽離子成分信息。另外，水化生成的礦物鹽等與蒙皂石共存時，考慮進這些鹽與水之間的溶解、沉澱反應等後，也可以復原陰離子（Cl-、SO42-、HCO3-）的成分組成和pH值信息。

表1：本次研究復原的蓋爾環形山湖泊沉積物孔隙的水質結果

pH值與地球上的淡水湖（琵琶湖）和海水接近，同樣為適合生命生存的中性，而且含有豐富的礦物質。

復原的水質為中性pH，主要溶解成分鈉和氯也與地球上的海洋相同，另外還還含有大量的鎂、鈣等礦物質。此外，鹽度約為地球海水的1/3，而且還發現存在生命可以利用的能量（氧化還原非平衡）。復原水質中不含強酸、強鹼或高鹽等對生命機體有害的物質，非常適合生命生存。

這種湖泊水質是如何實現的呢？根據表面殘留地貌看，蓋爾環形山內湖只有進水河，沒有出水河。溶解於進水河的微量鹽分和礦物質被一點點攜入湖泊，鹽水湖則通過湖面蒸發來維持水的進出平衡。不同於出水河，蒸發方式只會減少水，流進來的鹽分和礦物質則被留在了湖中，並隨著時間流逝而不斷富集。研究團隊根據地球河流典型鹽度和氣候模型得出了蓋爾環形山鹽水湖的蒸發率，進而計算出達到前述復原鹽度所需的富集時間—100萬年左右。也就是說，在火星早期100萬年左右的溫暖期間，各類微量鹽分被源源不斷運送到湖中並逐漸濃縮。而這種長期富集溶解物質的場所極為利於有機物的聚合和高分子化，因此被認為是地球生命誕生地的翻版。如上所述，此次研究團隊證明，蓋爾環形山內存在過的巨大湖泊水質不僅適宜於生命生存，還特別利於生命的誕生。

未來展望

經過40年的探測，火星是「曾經存在水的行星」的形象已經深入人心。但由於不清楚過去那些水的具體水質和環境，關於火星生命的討論始終沒有跳出猜想的範疇。本次研究首次定量明確了火星曾經的水質和環境，把火星的形象升級成了「適合生命誕生和生存的行星」。如此一來，研究重心就往前推進到了火星上是否曾經存在大範圍適合生命生存的環境、以及這種環境是何時又是以何種方式結束的等新課題上。另外，在火星樣本返回計劃中，本研究還有助於甄選出最有希望發現生命痕跡的樣本，將其帶回地球。

論文信息

題目 :Semiarid climate and hyposaline lake on early Mars inferred from reconstructed water chemistry at Gale

期刊 :《自然通訊》

DOI :10.1038/s41467-019-12871-6 outer