Vedkyňa Slávka Carvalho Andrejkovičová skúmala typ cyanobaktérií, ktorý produkuje kyslík.
Prítomnosť ílových minerálov, ako aj sedimentárnych štruktúr v kráteri Jezero je jedným z najsilnejších dôkazov o tom, že na Marse sa v minulosti nachádzala kvapalná voda. Zdroj: NASA/JPL-Caltech
Chemička Slávka Carvalho Andrejkovičová pôsobí na Katedre geológie na Univerzite v Aveire v Portugalsku, kam sa dostala vďaka postdoktorandskému pobytu v zahraničí po skončení doktorátu na Slovenskej akadémii vied (SAV). V súčasnosti tu už ako hlavná výskumníčka v rámci výskumnej jednotky GeoBioTec, kde sa venuje najmä výskumu ílových minerálov, viac ako desať rokov skúma minerály.
Pripravuje analógy Marsu na báze ílových minerálov a organických látok na overenie údajov nameraných vo vzorkách Marsu pomocou planetárnej sondy Curiosity. Analógové misie sú terénne testy na miestach, ktoré majú fyzickú podobnosť s extrémnym vesmírnym prostredím. Slávka skúmala napríklad typ cyanobaktérií, ktorý produkuje kyslík. V simulovanom prostredí podobnom Marsu spolu s kolegami testovala, či dokážu produkovať kyslík, keď ich ožarovali dávkou radiácie, ktorá je podobná tej na Marse. Len jeden druh prežil rôzne typy žiarenia a dokázal produkovať kyslík.
V Portugalsku sú minerály podobné tým na Marse
Venujete sa príprave analógov Marsu na báze ílových minerálov a organických látok na overenie údajov nameraných vo vzorkách Marsu pomocou planetárnej sondy Curiosity. Analógové misie sú terénne testy na miestach, ktoré majú fyzickú podobnosť s extrémnym vesmírnym prostredím. Akým spôsobom vznikajú takéto miesta?
Moja práca je zameraná predovšetkým na laboratórnu prípravu tzv. marťanských analógov – teda umelo vytvorených vzoriek, ktoré mineralogicky a chemicky napodobňujú materiály z Marsu. Pracujem najmä s ílovými minerálmi, ako sú smektity, ktoré zohrávajú kľúčovú úlohu pri zachytávaní vody a organických molekúl. V rámci experimentov kombinujem ílové minerály s organickými látkami, napríklad aminokyselinami a ďalšími zložkami, napríklad perchlorátmi alebo amoniovými katiónmi, čím vytváram tzv. organoíly.
Tieto analógy sú z hľadiska astrobiológie mimoriadne dôležité, pretože modelujú interakcie medzi minerálmi a organickými molekulami v prostredí, aké sa mohlo vyskytovať na starovekom Marse. Ílové minerály chránia organické zlúčeniny pred deštrukciou vplyvom UV žiarenia alebo oxidantov – ide teda o potenciálne „archívy“ dávnych biosignatúr. Amoniové smektity zas môžu byť indikátorom dusíkatých zlúčenín, ktoré sú kľúčové pre vývoj života. Štúdiom týchto analógov sa snažíme pochopiť, aké podmienky by mohli umožniť zachovanie alebo dokonca vznik života na Marse a ako by sa tieto stopy mohli prejaviť v údajoch nameraných roverom.
Akým spôsobom tieto vzorky analyzujete?
Pomocou laboratórnych zariadení, ktoré sú identické alebo technologicky ekvivalentné s tými, ktoré sa nachádzajú priamo na palube rovera Curiosity, konkrétne ide o prístroje typu SAM (Sample Analysis at Mars) a CheMin (Chemistry and Mineralogy). Tieto analýzy nám umožňujú overovať a interpretovať údaje získané na Marse a zároveň testovať, ako sa ílové minerály a organické zlúčeniny správajú v podmienkach a analytických procesoch typických pre marťanské prostredie.
Okrem laboratórnych vzoriek však existujú aj tzv. prirodzené analógové lokality – geologické miesta na Zemi, ktoré svojím zložením alebo svojimi extrémnymi podmienkami pripomínajú prostredie na Marse. Jednou z takýchto lokalít je Cabeço de Vide v Portugalsku, kde sa nachádzajú serpentinizované ultramafické horniny a uhličitany – teda minerály podobné tým, ktoré boli detegované v oblasti krátera Jezero na Marse, kde v súčasnosti operuje rover Perseverance. Práve táto mineralogická zhoda robí z Cabeço de Vide výnimočný analógový terén na výskum marťanských procesov.
Kráter Jezero na Marse. Zdroj: NASA
Prečo sú práve na tomto mieste extrémne podmienky podobné prostrediu na Marse?
Cabeço de Vide je jednou z mála kontinentálnych lokalít na Zemi, ktoré nie sú súčasťou oceánskej kôry a nikdy neboli v kontakte so slanou morskou vodou alebo s biologickým materiálom morského pôvodu. Táto absencia kontaminantov robí lokalitu ideálnou na výskum biosignatúr, ktoré by mohli byť znehodnotené v prostredí s bohatou biologickou aktivitou. Serpentinizácia tam dodnes aktívne pôsobí. Ide o živý geochemický systém, v ktorom sa v reálnom čase tvorí molekulárny vodík, dochádza k premenám minerálov a ku vzniku podmienok vhodných pre život.
Aj keď je serpentinizácia na Marse dnes už pravdepodobne neaktívna, geologické dôkazy naznačujú, že v minulosti zohrávala dôležitú úlohu pri tvorbe vhodných podmienok mikrobiálneho života. Cabeço de Vide nám tak poskytuje jedinečné „časové okno“ do minulosti Marsu, ktoré môžeme podrobne študovať a použiť na interpretáciu údajov z roverov, ako je Perseverance.
Čo je serpentinizácia a ako ovplyvnila tvorbu vhodných podmienok na mikrobiálny život?
Ide o geochemický proces, pri ktorom sa ultramafické horniny bohaté na olivín a pyroxén chemicky menia vplyvom vody. Pri tejto premene vznikajú nové minerály – najmä serpentíny – a zároveň sa uvoľňuje teplo, vodík a niekedy aj metán. Vytvára teplé, chemicky aktívne prostredie vhodné pre tzv. chemosyntetické mikroorganizmy. Vodík a metán môžu zároveň slúžiť ako zdroj energie pre primitívne formy života, ako vidíme aj v hlbokomorských hydrotermálnych prieduchoch na Zemi. Okrem toho serpentinizácia stabilizuje organické molekuly, vďaka čomu sa môžu zachovať oveľa dlhšie.
Simulované misie v púšťach či lávových tuneloch
Po aké vzorky ste boli v lokalite Cabeço de Vide a ako tieto vzorky ovplyvnia výskum?
Odobrali sme jadrové vzorky, valcovité vývrty horniny, ktoré zachovávajú pôvodné vrstvenie a geochemické vlastnosti materiálu v hĺbke. Vzorky sme odobrali z viacerých vzdialeností v rámci serpentínovej zóny, aby sme mohli porovnať minerálne a biologické podmienky v rôznych častiach systému. Plánujeme ich podrobne analyzovať pomocou rôznych analytických techník, napríklad plynovou chromatografiou s hmotnostnou spektrometriou na detekciu organických molekúl.
Rovnako využívame metódy molekulárnej biológie, napríklad extrakciu DNA, aby sme zistili, či vzorky obsahujú biosignatúry alebo stopy mikroorganizmov ako archaea či baktérie – teda skupiny, ktoré patria medzi najstaršie známe formy života na Zemi. Takýto výskum nám pomáha lepšie pochopiť, ako môžu špecifické horninové prostredia podporovať mikrobiálny život, a zároveň slúžia ako analógy pre podobné prostredia na Marse.
Čo sú analógové misie? Ako by ste ich charakterizovali?
Analógové misie sú simulované výskumné alebo výcvikové aktivity, ktoré prebiehajú na Zemi, ale sú navrhnuté tak, aby čo najvernejšie napodobňovali podmienky panujúce na iných planetárnych telesách – najčastejšie na Marse alebo Mesiaci. Vyberáme lokality, ktoré sa svojimi fyzikálnymi, geologickými alebo klimatickými podmienkami podobajú tým, aké očakávame na cieľovej planéte. Môže ísť o púšte, sopečné oblasti alebo lávové tunely.
Takým miestom sú napríklad Azorské ostrovy, konkrétne ostrov Terceira, kde som sa osobne zúčastnila na analógovej misii. Sopečné prostredie ostrova je mimoriadne zaujímavé – obsahuje čerstvé lávové prúdy, ktoré môžu simulovať podmienky na mladých sopečných oblastiach Marsu. Počas misie sme testovali metódy ako geologické mapovanie, systematický odber a dokumentáciu vzoriek, prácu s GPS či tímové rozhodovanie v obmedzených podmienkach – podobne ako by to prebiehalo pri budúcich misiách s posádkou na Marse.
Ostrov Terceira obsahuje čerstvé lávové prúdy, ktoré môžu simulovať podmienky v mladých sopečných oblastiach Marsu. Zdroj: Wikimedia
Tieto misie nám pomáhajú nielen lepšie porozumieť geológii a astrobiológii, ale aj pripraviť budúcich účastníkov skutočných planetárnych misií na technické, fyzické a mentálne výzvy, ktoré ich čakajú.
Ako vznikajú analógové vzorky Marsu?
Analógy Marsu vznikajú dvoma hlavnými spôsobmi – buď ich pripravujeme umelo v laboratóriu, alebo ich identifikujeme ako prirodzené geologické formácie na Zemi, ktoré svojím zložením a svojimi vlastnosťami pripomínajú marťanské prostredie.
V laboratóriu pripravujeme tzv. syntetické alebo experimentálne analógy, ktoré sú navrhnuté tak, aby mineralogicky, chemicky a štrukturálne zodpovedali materiálom detegovaným na Marse. Ide najmä o ílové minerály, ktoré pripravujem v kombinácii s organickými zlúčeninami.
Akým spôsobom testujete analógové vzorky Marsu?
Kombináciou moderných analytických metód, ktoré umožňujú detailnú charakterizáciu ich chemického a mineralogického zloženia. Mnohé z týchto prístupov sú inšpirované alebo priamo zhodné s analytickými nástrojmi, ktoré sa nachádzajú na palube roverov Curiosity a Perseverance, ako napríklad SAM (Sample Analysis at Mars) a CheMin (Chemistry and Mineralogy).
Používame techniky ako X-ray difrakciu na identifikáciu minerálnych fáz, termickú analýzu na sledovanie teplotných reakcií vo vzorkách, infračervenú spektroskopiu na detekciu štrukturálnych väzieb a funkčných skupín, ako aj elementárnu analýzu na kvantifikáciu organických zložiek. Dôležitým nástrojom je aj plynová chromatografia s hmotnostnou spektrometriou, ktorá umožňuje identifikovať a sledovať organické molekuly po rôznych simulovaných podmienkach.
Tieto analýzy robíme často pred vystavením a po vystavení vzoriek marťanským podmienkam, ako sú UV žiarenie, aby sme zistili, ako sú minerály a organické zlúčeniny stabilné a či by mohli uchovať potenciálne biosignatúry v marťanskom regolite. Takto získané dáta nám pomáhajú interpretovať signály detegované rovermi a zároveň pripravovať metodiky pre budúce planetárne misie aj návrat vzoriek z Marsu.
Jeden celistvý jadrový vrt (hĺbka 26 – 170 m) z lokality Cabeço de Vide (Portugalsko), bohatej na serpentinizované ultramafické horniny. Táto geologická formácia slúži ako mineralogický analóg marťanského krátera Jezero. Na fotografii prebieha analýza pomocou prístroja typu LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy). Prístroj LIBS je podobný tomu, ktorý využíva rover Curiosity na Marse. Zdroj: Osobný archív S. C. A.
Na Marse potvrdili aj prítomnosť ílových minerálov. Prečo sa tu tvorili?
V minulosti sa tvorili vďaka prítomnosti kvapalnej vody, ktorá chemicky pôsobila na sopečné horniny. Tieto procesy – známe ako hydrotermálne alebo nízkoteplotné zvetrávanie – umožnili transformáciu pôvodných minerálov, napríklad olivínu, pyroxénu či skla, na ílové fázy. Tie obsahujú vrstvy s viazanými molekulami vody, čo je dôkazom, že voda zohrávala kľúčovú úlohu pri ich vzniku. Ich prítomnosť preto svedčí o tom, že v dávnej minulosti mal Mars stabilné vodné prostredie, v ktorom dochádzalo k pomalým a dlhodobým geochemickým procesom.
Práve kráter Jezero na Marse je bohatý na ílové minerály. V kráteri bolo kedysi starodávne jazero. Znamená to, že bola na Marse kedysi voda?
Áno, prítomnosť ílových minerálov, ako aj sedimentárnych štruktúr v kráteri Jezero je jedným z najsilnejších dôkazov o tom, že na Marse sa v minulosti nachádzala kvapalná voda. Dnes už vieme, že kráter Jezero kedysi hostil stabilné jazero, do ktorého ústila rieka. Ílové minerály tu vznikli interakciou vody s vulkanickým substrátom, čo naznačuje, že prostredie bolo dlhodobo vlhké a geochemicky aktívne.
Rovnako dôležitým miestom je aj kráter Gale, kde v súčasnosti pôsobí rover Curiosity a kde sú rozsiahle vrstvy smektitov a iných ílových minerálov. Výskumy v kráteri Gale ukazujú, že sa tam nachádzalo dávne jazero s premenlivou hĺbkou a geochémiou, kde mohli panovať podmienky vhodné pre mikrobiálny život.
Sinice prežili žiarenie podobné tomu na Marse
Prečo sa dnes voda na Marse už nenachádza?
Planéta stratila svoju hustú atmosféru a ochranné magnetické pole. Bez dostatočného tlaku a pri nízkych teplotách nemôže voda na povrchu existovať v kvapalnej forme – okamžite buď zamrzne, alebo sa vyparí.
Slávka pri analýze vzoriek. Zdroj: Osobný archív S. C. A.
Mars mal v minulosti globálne magnetické pole, ktoré vzniklo podobne ako na Zemi dynamom v jeho roztavenom kovovom jadre. Presný dôvod, prečo Mars toto magnetické pole stratil, nie je dodnes úplne objasnený, no najpravdepodobnejšie vysvetlenie je, že jeho menšie jadro sa ochladilo rýchlejšie než zemské, čím sa zastavili konvekčné pohyby potrebné na udržiavanie magnetického dynama. Možné sú však aj iné faktory, napríklad zmeny v chemickom zložení jadra alebo tepelnom prenose medzi jadrom a plášťom.
Po strate magnetického poľa bol Mars vystavený intenzívnemu pôsobeniu slnečného vetra – prúdu nabitých častíc zo Slnka, ktoré postupne „odfúkavali“ horné vrstvy atmosféry do vesmíru. Atmosférický tlak klesol natoľko, že dnes dosahuje len asi 0,6 percenta pozemského tlaku. V kombinácii s priemernou teplotou okolo -60 °C sú dnešné podmienky na Marse nevhodné pre stabilnú kvapalnú vodu na povrchu.
Avšak, voda sa na Marse dnes stále nachádza, a to najmä vo forme ľadu pod povrchom v rôznych oblastiach. Existujú aj dôkazy o prítomnosti soľankových roztokov, ktoré môžu dočasne existovať v kvapalnej forme pri extrémne nízkych teplotách, hoci sú veľmi nestabilné.
V čom nám môže výskum ílových minerálov pomôcť pri objavovaní zloženia Marsu?
Ílové minerály sú kľúčom k pochopeniu mineralógie, geochémie aj klimatickej histórie Marsu. Vznikajú pri dlhodobej interakcii vody s horninami, a preto sú výbornými záznamami o podmienkach, ktoré panovali v čase ich formovania. Ich zloženie nám umožňuje odvodiť nielen typ pôvodnej horniny, ale aj pH, oxidačné podmienky, prítomnosť iónov a dĺžku zvetrávacích procesov.
Výskum ílových minerálov zároveň ukazuje, ktoré časti povrchu Marsu boli najdlhšie ovplyvňované vodou, a teda mohli byť potenciálne obývateľné.
Kráter Gale na Marse. Zdroj: NASA
Okrem toho sú íly známe tým, že dokážu zachytávať a chrániť organické molekuly, čo z nich robí potenciálne archívy biosignatúr. Pripravujem ílové minerály, do ktorých cielene vkladám jednoduché organické látky, napríklad aminokyseliny ako glycín. Sledujem, ako sa tieto molekuly viažu na minerál, ako sú stabilné a či ich možno detegovať analytickými prístrojmi, ktoré sa používajú na Marse.
Aminokyseliny sú základnými stavebnými jednotkami bielkovín, ktoré sú nevyhnutné pre všetky formy života, aké poznáme. Ak by sa v marťanskom regolite zachovali ich stopy, mohlo by ísť o jeden z najsilnejších dôkazov, že na Marse mohla kedysi existovať biologická aktivita.
Práve v období, keď sa na Zemi začal formovať život, mal aj Mars veľmi podobné podmienky – vodu, teplo, hustú atmosféru a aktívne magnetické pole. Preto je výskum ílov a ich schopnosti zachovať organické zlúčeniny taký dôležitý. Môže nám pomôcť nájsť odpovede na otázku, či sa život mohol vyvinúť aj mimo Zeme.
Venujete sa rastu siníc na ílových mineráloch. Čo si pod tým možno predstaviť?
Ide o veľmi jednoduché molekuly, ktoré dokážu produkovať kyslík, vďaka čomu by ich mohli astronauti časom využívať i ako zdroj energie. Neskôr by sme ich možno mohli priviezť zo Zeme na Mars. Momentálne sa robia experimenty, či by dokázali tieto baktérie na Marse prežiť. Za terajších podmienok by tieto baktérie na Marse neprežili, pretože je tam obrovské žiarenie. V simulovanom prostredí podobnom Marsu testujeme, aký vplyv má žiarenie podobné tomu na Marse na rast baktérií a ich produkciu kyslíka. Len prednedávnom sme spolu s ďalšími kolegami zistili, že jeden typ siníc, konkrétne Nostok, prežil vysoké dávky žiarenia, produkoval kyslík a opäť sa rozmnožil.
Prečo práve typ Nostok produkoval kyslík ako jediný z rôznych druhov siníc?
Myslím si, že je oveľa odolnejší ako ostatné druhy baktérií. Porovnávali sme asi štyri rôzne typy siníc, pričom práve Nostok je jediným vhodným kandidátom na možnú budúcu zmenu prostredia Marsu. Mohol by byť tiež potenciálnym zdrojom kyslíka a živín pre astronautov. Pri výskume bolo hlavným problémom použitie vhodných simulantov, my sme použili štandardné a zmesi z rôznych typov ílových minerálov. Problémom je, že by sme museli dopredu vedieť, kde by sa mohla konať budúca možná kolonizácia Marsu – či v priestore, kde je veľa ílových minerálov, alebo tam, kde sa nachádzajú serpentíny či sulfáty. Na to by však bolo potrebné vytvoriť skutočný analóg Marsu, ktorý by bol zdrojom živín pre sinice, aby sme mohli odsledovať, ako by sa správali.
Sinice Nostok ako jediné prežili vysoké dávky žiarenia, produkovali kyslík a opäť sa rozmnožili. Zdroj: Wikimedia/YAMAMAYA
Teplotné podmienky ako na Marse
Skúmate možnosť redukovaných zásobníkov dusíka na Marse. Ako vplýva množstvo dusíka na obývateľnosť Marsu?
Dusík patrí medzi šesť základných biogénnych prvkov, známych pod skratkou CHNOPS (uhlík, vodík, dusík, kyslík, fosfor a síra), ktoré sú nevyhnutné pre vznik a udržanie života. Je kľúčový najmä na tvorbu aminokyselín, proteínov a nukleových kyselín.
Na Zemi je dusík hojne dostupný v atmosfére, no živé organizmy ho môžu využiť len v jeho reaktívnejších formách, akými sú napríklad amoniak, amóniové katióny alebo dusičnany. Podobne by to platilo aj pre potenciálny život na Marse, hoci dusík sa v marťanskej atmosfére nachádza len v stopovom množstve – približne 2,6 percenta – a vo veľmi stabilnej, málo reaktívnej forme ako molekulový dusík.
Na Marse sa dusičnany vyskytujú v povrchových sedimentoch, čo naznačuje, že planéta mohla v minulosti disponovať dusíkom v biologicky relevantných formách. Táto skutočnosť otvára otázku, či mohol na Marse existovať aktívny dusíkatý cyklus podobný tomu, aký poznáme zo Zeme.
Na Marse bola už potvrdená prítomnosť dusičnanov v povrchových sedimentoch. Zdroj: iStockphoto.com
V mojom výskume sa venujem príprave amóniových ílov – teda minerálov, ktoré viažu dusík v redukovanej forme. Zaujímavé je, že takéto minerály poznáme aj zo Zeme, kde sa prirodzene vyskytujú najmä v sedimentárnych alebo hydrotermálnych prostrediach bohatých na organický materiál.
Ak by sa podobné amóniové íly nachádzali aj na Marse, mohli by predstavovať zásobníky dusíka dostupného pre mikroorganizmy a slúžiť ako dôkaz o existencii dusíkatého cyklu v dávnej minulosti. Takýto nález by významne podporil hypotézu, že Mars bol v minulosti potenciálne obývateľnou planétou.
Vedci uvažujú o existencii života na iných planétach, ktoré sú podobné Zemi. Napríklad na planéte K2-18b objavili známky molekúl, ktoré na Zemi produkujú iba jednoduché organizmy. Koľko rokov môže podľa vás trvať výskum, kým budeme mať bližšie poznatky o možnosti života na tejto planéte?
Aby sme získali bližšie poznatky o možnosti života na K2-18b, bude potrebné získavať oveľa presnejšie údaje, rozvíjať citlivejšie prístroje a nové teleskopy a zároveň zlepšovať modely, ktoré pomáhajú tieto signály správne interpretovať. Môžeme teda očakávať, že v priebehu niekoľkých desaťročí sa budú objavovať čoraz spoľahlivejšie údaje o zložení atmosfér exoplanét. No jednoznačné potvrdenie biosignatúr, a teda života mimo Zeme, môže trvať ešte mnoho rokov, možno aj celé generácie.
Spolupracujete so Španielskym astrobiologickým centrom, kam posielate vzorky, ktoré študujú na špeciálnom prístroji. Akým spôsobom funguje tento prístroj?
Na tomto prístroji dokážeme simulovať rôzne extrémne podmienky, napríklad mrazivé mínusové teploty, ale aj vyššie teploty podobné tým na Marse. Dokážeme znižovať aj tlak na hodnotu podobnú tej, ktorá je na Marse. Snažíme sa ožarovať vzorky, pretože prvých pár centimetrov povrchu Marsu je ožiarených. Výsledky analýzy vzoriek na Zemi a na Marse sú iné. Jedným z dôvodov môže byť to, že organické molekuly sú ožiarené a rozložené. Snažíme sa zistiť, či sú výsledky po ožiarení porovnateľné s dátami, ktoré nám poslala sonda Curiosity.
Aká je vaša najčastejšia skúsenosť? Bývajú tieto výsledky porovnateľné?
Áno, väčšinou sú podobné. Tento rok vedci zistili prítomnosť časti lipidu, pretože mastná kyselina bola zrejme kedysi ožiarená a rozpadla sa. Je malá pravdepodobnosť, že táto komplexná molekula vznikla inak ako život. Tento poznatok nám napovedá, že to, čo vedci momentálne našli, bolo súčasťou väčšej molekuly, ktorá sa rozpadla vďaka žiareniu. Aby sme však pochopili tieto výsledky, vyžaduje si to ešte ďalšie štúdie. Navyše aby sme pochopili, ako prebiehajú procesy na iných planétach, musíme najskôr pochopiť procesy na vlastnej planéte.
(RR)
