據我們所知，碳是生命的關鍵。因此，只要我們在火星這樣的地方檢測到強烈的碳信號那麼就可能表明有生物活動。那麼火星岩石中的強碳信號是否表明有某種類型的生物過程？
當在尋找生命的時候，任何強的碳信號都是耐人尋味的。它是我們所知的所有生命形式中的一種常見元素。但有不同類型的碳，並且碳可能因為其他原因在環境中變得集中。這並不自動意味着生命涉及碳的特徵。
碳原子總是有六個質子，但中子的數量可以不同。具有不同中子數的碳原子被稱為同位素。有三種碳同位素自然出現。C12和C13是穩定的，而C14是一种放射性核素。C12有六個中子，C13有七個中子，而C14有八個中子。
當涉及到碳同位素時，生命更喜歡C12。它們在光合作用中使用它或用來代謝食物。原因相對簡單。C12比C13少一個中子，這意味着當它跟其他原子結合成分子時，在同樣的情況下，它的連接數比C13要少。生命本質上是懶惰的，它總是會尋求最簡單的方法來做事情。C12更容易使用，因為它形成的鍵比C13少，它比C13更容易得到，而且當有更容易的方法時生命永遠不會採取困難的方法。
好奇號探測器正在火星的Gale環形山努力工作以尋找生命的跡象。它鑽進岩石、提取粉碎的樣本並將其放入其機載化學實驗室。好奇號的實驗室被稱為SAM。在SAM中，火星車使用熱解法來烘烤樣品，然後將岩石中的碳轉化為甲烷。熱解是在惰性氦氣流中進行的，這樣可以起到防止發生任何污染的情況發生。隨後，它會用一個名為可調諧激光光譜儀(TLS)的儀器探測氣體來尋找甲烷中的碳同位素。
好奇號SAM背後的團隊用這種方法觀察了24個岩石樣本，最近它發現了一些值得注意的事情。其中6個樣本顯示出C12和C13的比例升高。跟地球上的C12/C13比率參考標準相比，來自這六個地點的樣本中C12的含量多出千分之七十以上。在地球上，98.93%的碳為C12，而C13形成了剩下的1.07%。
發表在《PNAS》上的一項新研究提出了這些發現。它的標題是 《Depleted carbon isotope compositions observed at Gale crater, Mars》，第一作者為來自賓夕法尼亞州立大學的好奇號科學家Christopher House。
這是一個令人興奮的發現，如果這些結果是在地球上獲得的，它們將預示着一個生物過程產生了大量的C12。
在古代地球上，地表細菌產生甲烷作為副產品。它們被稱為甲烷菌，它們是來自古細菌領域的原核生物。今天，甲烷菌仍存在於地球上–在缺氧的濕地、反芻動物的消化道以及像溫泉這樣的極端環境中。
這些細菌產生的甲烷會進入大氣層，然後跟紫外線發生作用。這些相互作用產生了更複雜的分子並雨點般地落在地球表面。它們和它們的碳特徵一起被保存在地球岩石中。同樣的事情可能發生在火星上，如果是這樣，它可以解釋好奇號的發現。
“我們在火星上發現了一些令人感興趣的東西，但我們真的需要更多的證據來說明我們已經發現了生命，”好奇號火星實驗室樣品分析的前首席調查員Paul Mahaffy說道，“因此，我們正在研究，如果不是生命，還有什麼可能造成我們所看到的碳特徵。”
研究人員們在他們的論文中道：“對於在進化的甲烷中觀察到的異常貧化的13C，有多種合理的解釋，但沒有進一步的研究就無法接受單一的解釋。”
理解像這樣的碳信號的困難之一是我們所謂的地球偏見。科學家對大氣化學和相關事物的了解大多是基於地球的。因此，當涉及到火星上這個新發現的碳特徵時，科學家們會發現要保持他們的思想開放並接受火星上可能不存在的新的可能性則成為了一個挑戰。
參與碳研究的戈達德天體生物學家Jennifer L. Eigenbrode指出：“最困難的事情是放下地球、放下我們的那種偏見，真正嘗試去了解火星上的化學、物理和環境過程的基本原理。”此前，Eigenbrode曾帶領好奇號科學家組成的國際團隊在火星表面發現了無數的有機分子–含有碳的分子。
“我們需要打開思路，跳出框框，”Eigenbrode說道，“而這正是這篇論文所做的。”
研究人員在他們的論文中指出了對不尋常的碳特徵的兩種非生物解釋。其中一個涉及到分子云。分子云假說指出，我們的太陽系在數億年前經過了一個分子云。這是一個罕見的事件，但它約每1億年發生一次，所以科學家們不能不去考慮它。
分子云主要是分子氫，但其中可能富含好奇號在Gale環形山探測到的那種較輕的碳。分子云會導致火星急劇冷卻，在這種情況下導致冰川運動。冷卻和冰川會阻止分子云中的輕質碳跟火星上的其他碳混合從而形成高濃度的C12沉積。該論文指出–“冰川期的冰川融化和冰川期后的冰川退縮應該在冰川地貌表面留下星際塵埃顆粒。”
這個假設是合理的，因為好奇號在山脊的頂部發現了一些升高的C12含量–如Vera Rubin山脊的頂部和Gale環形山的其他高點。論文指出，這些樣本是從各種岩性中收集到的，另外在時間上分佈在迄今為止的任務操作中。儘管如此，分子云假說是一個不太可能的事件鏈。
另一個非生物假說則涉及紫外線。火星大氣中95%以上是二氧化碳，在這種情況下，紫外線會跟火星大氣中的二氧化碳氣體發生作用從而產生新的含碳分子。這些分子會落在火星的表面並成為那裡的岩石的一部分。這個假說類似於地球上甲烷菌間接產生C12的方式，但它完全是非生物的。
“這三種解釋都符合數據，”論文的第一作者Christopher House說道，“我們只是需要更多的數據來排除它們。”
“在地球上，會產生我們在火星上探測到的碳信號的過程是生物性的，”House補充道，“我們必須了解同樣的解釋是否適用於火星或是否有其他解釋，因為火星非常不同。”
幾乎一半的好奇號樣品的C12含量意外地升高了。它們不僅高於地球的比例，也高於科學家在火星隕石和火星大氣中發現的比例。這些樣本來自Gale環形山的五個地方，所有的地方都有一個共同點：它們有古老的、保存良好的表面。
不過科學家們仍在學習火星的碳循環，並且有很多我們仍然一無所知。根據地球的碳循環對火星的碳循環做出假設是很誘人的。但碳可能以我們甚至還沒有猜到的方式在火星上循環。無論這種碳特徵最終是否成為生命的信號，在了解火星的碳特徵時它仍是寶貴的知識。
“界定火星上的碳循環絕對是試圖了解生命如何融入該循環的關鍵，”駐華盛頓特區卡內基科學研究所的好奇號科學家Andrew Steele說道，“我們已經在地球上真正成功地做到了這一點，但我們剛剛開始為火星界定該循環。”
但根據地球的碳循環得出火星的結論並不容易。Steele清楚地表明了這一點–“地球上的碳循環有一大塊涉及到生命，並且由於生命的存在，地球上的碳循環有一大塊我們無法理解，因為我們所看到的任何地方都有生命。”
眼下，好奇號仍在火星上工作，並且還將持續一段時間。這些樣本的意義以及對火星碳循環的更好理解就在前方。好奇號將對更多的岩石進行採樣以測量碳同位素的濃度。它將從其他保存完好的古代表面取樣岩石看看結果是否與這些相似。理想情況下，它將會遇到另一個甲烷羽流並對其進行採樣，但這些事件是不可預測的並且也沒有辦法為其做好準備。
不管怎樣，這些結果將有助於為毅力號在Jezero火山口的樣品採集提供信息。毅力號可能會確認類似的碳信號，甚至確定它們是否是生物信號。
實際上，毅力號也在收集樣本以送回地球。科學家們將比火星車上的實驗室更有效地研究這些樣本。
對火星古代生命的研究是一個誘人的前景，但至少現在，它仍是不確定的。