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寻找早期生活在火星上的签名:拉曼光谱和天外火星任务半岛综合体育官方APP下载德甲

豪厄尔通用爱德华兹,^{* a、b}伊恩·b·哈钦森^b理查德•Ingley^b尼克·r·沃尔瑟姆^c莎拉·比尔兹利,^c肖恩Dowson^c和西蒙·伍德沃德^c

^一个天体生物学和极端微生物研究中心,布拉德福德大学生命科学学院布拉德福德,BD7 1 dp,英国西约克郡。电子邮件:(电子邮件保护)
^b物理学和天文学、空间研究中心、英国莱斯特大学大学路,英国莱斯特LE1 7 rh
^c成像系统划分、空间科学和技术部门,科学和技术设施理事会,卢瑟福阿普尔顿实验室,哈维尔科学和创新校园,德,英国牛津郡OX11 0 qx

介绍

发现火星上的水和冰,NASA(国家航空和宇宙航行局)罗孚汽车和航天飞机和火星早期的升值可能以类似的方式开发早期地球集中关注生化的生存策略采用陆地极端微生物,它存在于一个范围的地质环境和栖息地火星上有一个平行,称为陆地火星模拟网站。欧洲航天bdapp官方下载安卓版局极光计划,特别是天外火星/巴斯德的使命将搜索灭绝或现存生活在火星上签名,已经确定了几个分析工具来评估这个星球的生物状态之前,人类探索火星表面的将在未来几十年。拉曼光谱已经半岛综合体育官方APP下载德甲被选择作为一个初步的分析仪器这天外火星任务识别地质和biogeological的光谱特征,可能预示着灭绝的存在或现存生活在火星上。本文描述的信息的类型的拉曼光谱研究陆地极端微生物提供了关于他们的保护套件生化药剂合成作战他们暴露在严酷的环境下生活“限制”的情况;关键生物分子光谱的识别标记在地质记录中提供一个数据库的基础检测证明和外星生命。拉曼光谱的优点对生物分子的检测地质矿产矩阵将说明半岛综合体育官方APP下载德甲使用陆地extremophilic标本温度冷热沙漠,干燥和暴露在低波长、高能辐射紫外线地区需求反应物种生存的策略。

拉曼光谱技术的应用程序的描述保护生化药剂用于extremophilic有机体的生存策略陆地强调环境的话,^1,2加上palaeogeological识别早期的火星和地球保持相似的环境下,太古代的蓝藻可以开发,³推动的建议采用拉曼光谱作为行星探索小说的分析仪器。半岛综合体育官方APP下载德甲^4,5,6宣布欧洲航天局(ESA),微型拉曼光谱仪将巴斯德bdapp官方下载安卓版分析life-detection协议的组成部分的天外火星任务中寻找火星上的生命的痕迹极光太空探索计划已经证实,拉曼光谱将执行的关键作用的分子和元素分析天外火星探测器上的火星表层和次表层的车辆(图1,表1)。半岛综合体育官方APP下载德甲

Figure 1. The ExoMars rover: mission objective—to search for signatures of extinct or extant life on Mars. Credit: ESA - AOES Medialab.

表1。仪器在ESA天外火星探测器,与国家π括号的兴趣。

车上全景:全景Camera-digital地形映射(英国、D、隋)
现代艺术博物馆:火星有机分子Analyser-GC / MS系统挥发物的检测大气和沉积物(D, F,美国)
MicroOmega-IR:红外成像光谱仪(F,隋)
MARS-XRD:英国x射线衍射仪对矿产(我)
RLS:喇曼激光器spectrometer-geological和biogeological分子(E, F)
智慧:探地雷达对水冰,地下存款(F, N, D)
MA-MISS:火星的多光谱成像仪
CLUPI:岩石imager-high-resolution特写镜头,钻的核和粉末(隋,F)
LMC:生活标志chip-detection与生活相关的特定分子(英国)

不可否认的是在未来的太空任务最重要的科学发现将是另一个星球上的生命的证据,是否这是现存的或已经灭绝;然而,这种说法本身生成两个哲学问题,即我们如何定义生活,然后我们如何识别它或其残留在行星地质记录吗?我们还必须解决的可能性,任何外星生物识别在地球和太空探索可能源自已经运到我们的行星邻居通过我们自己的干预,加强的必要性为航天器和兰德斯行星保护协议,或通过有生源说。生活的精确定义是相当难以捉摸和许多的尝试最终认为不满意;^7,8,9,10美国宇航局的生活的定义一个自我维持的系统达尔文进化的能力”包括一个分子起源和复制的过程和避免一些陷阱的替代定义基于一个系统的繁殖能力。¹¹

因此,在这个节骨眼上,适当的考虑一些科学参数需要考虑生活在天外火星项目的检测;的选择标准主要分析天体生物学的任务如天外火星需要考虑以下问题:

幸存下来的生物存在和可能的当前和过去的极端环境在火星上?
什么类型的地质环境可能发现隐藏的痕迹残留或现存的火星上存在生命吗?
剩下这些生物会签名等环境指标的存在和我们如何认识他们吗?
分子可以被视为构成证明火星上存在生命吗?
有陆地的场景或假定的火星模拟网站可以作为“模型”评价这些科学问题?

火星的历史

从我们太阳系的诞生一些4.6 Gya,陆地地质记录表明,微生物自养生态系统已经存在在地球上从3.5 Gya Gya到3.8。现在有大量证据表明,早期地球和火星早期确实是非常相似的理化成分;由于火星比地球小得多,很可能行星冷却更快发生,火星表面能够维持一个水环境比地球上是可能的。我(的时代ca4.65 3 Gya)时期提出的火星麦凯,³地球可能是更多的温带和湿,由于地质证据,地球上的生命已经开始了在这一时期,似乎可以得出合理的结论,火星上的生活也已经开始;第四期(ca1.5 Gya至今),然而,火星上的灾难性变化会破坏生物的生存在火星表面和地球的火星类似物可能极端微生物是火星上生命的最后幸存者通过他们在火星地质环境适应利基网站。

分析火星的太空生物学

检测生物分子标记在地质基质或火星地下风化层的是天体生物学的主要目标;^12,13然而,火星上的环境压力的进化压力,尤其是高水平的低波长紫外辐射日晒,低温,极端干燥和高矿化度应该适当要求严重的保护策略,以促进原点,微生物的生存和发展。¹⁴紫外线辐射防护提供铁(III)的地下生物氧化表面风化层作为一个过滤器已被建议作为一个关键因素在火星表面生物分子活动的维护,¹⁵但同样的紫外线和低电磁辐射波长日晒产生羟基自由基和过氧化物表面风化层中肯定会抑制复杂生物分子在表面氧化带的生存。在这方面的诊断、退化和生物降解的陆地火星类似物给化石能在我们自己的地质记录不会转座的火星的场景。因此,复杂的化学系统包括陆地土壤、沥青和干酪根中找到我们自己的行星岩性^16,17,18,19并提供了有价值的信息对他们的采购流程预计不会发生在相同的程度上在火星上。

然而,相信火星可能仍然保留一个化学的早期生活在岩石记录古代的时代,重叠的陆地太古代地质历史,从约3.8 Gya。寻找灭绝或火星上现存的生命必须中心的标识和识别特殊地质遗迹保护利基的生物分子签名将被保留下来;基本方法必须考虑关键分子生物标志物的检测,当然可能在岩石和地下,甚至在古湖泊沉积物,^20.,21这将需要部署的远程分析传感器与预设协议和建立数据库识别战略矿产、生物改良地质地层和生物分子残留。从地面模拟网站示例包括碳酸盐、碳酸hydroxyfluoroapatite,石膏,草酸钙,卟啉,类胡萝卜素,scytonemin和蒽醌类。^22,23

显然,地球火星模拟网站的识别和选择^19,20.将是一个关键的步骤,分析火星的太空生物学的发展两个方面;首先,了解地质构造的类型殖民的extremophilic生物在陆地的生活“限制”的情况下和栖息地,^20.其次,小说的分析仪器的部署可以揭示灭绝的关键特征和现存的地质记录生活在其中。^{21,22,23,24,25}等数据的收集火星地面模拟网站因此采取的第一步在寻找外星生命签名;在这方面,应用拉曼光谱技术已成功通过的直接描述分子和生物分子的分子离子签名及其修改结构位于地质记录的不涉及物理或化学分离的有机和无机成分。下面将描述这些陆地火星模拟网站和使用实验室喇曼光谱技术获得的数据明显先进我们对极端微生物的行为的理解。

在最近的一次特殊的问题英国皇家学会哲学学报,一年,度过了350年^th周年时间最长的科学期刊,几篇文章^{26,27,28,29日,30.,31日,32,33}强调了拉曼光谱在生物特征的描述extremophilic殖民半岛综合体育官方APP下载德甲地质基质在一系列强调陆地环境中;这些文章和其他人在同一问题解决地质和biogeological光谱的检测标记相关的太空任务^34,35,36,37给一个很好的升值的光谱要求将是至关重要的,天外火星的相关光谱数据库建设和即将到来的太空任务上的拉曼光谱仪探测车辆。一些选定的例子的数据可以提供的拉曼光谱审讯的火星地面模拟网站现在将突出显示。

陆地火星模拟网站

安德鲁斯岭,长期生态研究(lte)的网站,霍尔湖,泰勒谷,南极洲

火成岩长石的标本展示了几个分层存款;特别是,两个绿绿的区位于一些10 - 15毫米的表面下提供的一个例子chasmolithic extremophilic殖民。底物的拉曼光谱的特征矿物石英(乐队在465、356、206和127厘米¹)和microclinic长石(特征乐队在512厘米¹和155厘米¹)。chasmolithic区域的拉曼光谱显示乐队由于霰石(1086、705、207和154厘米¹),可以看到随着石英和microclinic长石(斜长石)。β-胡萝卜素生物标志物的存在证明了乐队在1518年,1156年和1003厘米¹并证实了生物组件在这个区。霰石的检测该区域而不是其他地方的基础也表明过去的生物活性,使其成为biogeomarker在这种情况下,可以与lte的地质和沉积历史的网站。³⁸

火星绿洲和战舰海角,Alatna山谷,南极洲

随着栖息地环境逐步恶化对极地纬度较高,生物有机体的生存策略需要进一步适应,直到在生活场景的“限制”是不可能生活在一种长在石头上的生存,然后幸存的生物学成为石内的。要求光合成有效辐射的有效保护的必要性低波长紫外线辐射要求的合成一套复杂的生化药剂和配件可以帮助宿主生物体的生存策略和适应特定地质协助这个必要性。典型的endolith信标砂岩如图2所示(一个)来自火星的绿洲,南极洲,分层组件组成地壳岩石和铁(III)氧化包含黑暗greenish-black耗尽层Chroococcidiopsis蓝藻殖民地可以看到。拉曼光谱已成半岛综合体育官方APP下载德甲功以来,这些系统提供的信息的关键部分生存策略取决于分子宿主矿物基质之间的相互作用和蓝藻和数据可以获得无损。其他分析方法迄今为止需要无机和生物物理和化学分离的组件,即交互式信息丢失。图3所示的拉曼光谱表明叶绿素的存在,一水草酸钙和类胡萝卜素,这些都是至关重要的化学物质产生光合作用,辐射光和anti-desiccation extremophilic的有机体的反应环境的石英和赤铁矿组件地质矩阵。进一步biomodification地质衬底对生存至关重要的殖民地是铁(III)的运输岩石表面氧化,这可以从殖民区色素的损耗如图2 (b);战舰的表面拉曼光谱的海角标本,提供支持的信息成分的变化是影响氧化的铁(III)在这个过程和针铁矿的签名,一个铁(III)氧化氢氧化,现在可以指出在包含endolith样品的上表面,这是缺席的岩石标本不是殖民。克拉克¹⁵得益于石内的殖民地证明增加保护影响氧化的铁(III)通过这个运输物质上帮助他们能够过滤掉UVB辐射日晒的岩石表面。铁的重要地位在火星表面的氧化(III)因此相当大的兴趣和相关性的可能性提供保护的生物的生存在火星表面下,将解决在天外火星任务通过提供地下风化层钻探取样。

Figure 2. (a) Endolithic specimen of Chroococcidiopsis cyanobacteria in Beacon Sandstone from Mars Oasis, Antarctica; (b) Beacon Sandstone from Battleship Promontory, Alatna Valley, Antarctica, demonstrating the depletion zone of iron (III) oxide and the colour change at the surface resulting from the conversion of haematite to goethite. Reproduced courtesy ESA.

Figure 3. Raman spectrum of Chroococcidiopsis in Beacon Sandstone, showing the geological and biological signatures. Reproduced courtesy ESA.

霍顿坑、德文岛、加拿大北极

从26米娅,这是一个陨石坑约会的地方影响了亚硒酸(一种透明的石膏,卡索₄.2H₂O)晶体在熔化在火山口的边缘角砾岩沉积;一些晶体发现含有暗褐黑色夹杂物表面深度高达5厘米以下,这被证明是殖民地halotrophic的例子(salt-tolerating)极端微生物。这些夹杂物及其伴随的拉曼光谱(图4)记录共焦和直接通过透明水晶没有影响化学或机械预处理,确定了殖民地念珠藻属蓝藻³⁹通过其特点套防护生化药剂;其他夹杂物的共焦microRaman光谱确定了殖民地的念珠藻属物种。

Figure 4. Selenite sample from the Haughton meteorite impact crater, Devon Island, Canadian High Arctic, with Raman spectrum of dark brown subsurface inclusion characteristic of a Nostoc cyanobacterial colony; courtesy of Professor Charles Cockell, Planetary and Space Sciences Research Institute, Milton Keynes.

火山玄武岩,Scott-Keltie Fiellet岭、Spitzbergen北极挪威

在这个案例研究中几种不同类型的极端微生物可以确定在同一标本中发现一群石内的液泡内玄武岩连接到表面通过一个小口。⁴⁰破碎腔内的液泡暴露了石内的殖民地(图5)。这个殖民地的拉曼光谱与785 nm激发明显显示了叶黄素的签名,类胡萝卜素、叶绿素、c-phycocyanin聚光辅助色素。514.5 nm激励,提高类胡萝卜素的选择性检测的操作在这个波长共振喇曼效应演示了两个不同的类胡萝卜素的存在,即虾青素和叶黄素,石内的殖民地(图6)。

Figure 5. Volcanic basalt from Svalbard, Norwegian Arctic, with exposed vacuole and evidence for possible biological colonisation. Reproduced courtesy ESA.

Figure 6. Raman spectra of bacterial colonies in the volcanic basalt vacuole recorded with 514.5 nm excitation and indicating two different carotenoids. Reproduced courtesy ESA.

陨石SNC火星陨石

陨石SNC的片段(Shergotty-Nakhla-Chassigny)火星陨石的30左右的火星陨石之一已经被确认,于1911年在埃及,分析了利用拉曼光谱和一系列stack-plotted光谱如图7所示。半岛综合体育官方APP下载德甲成分的光谱显示出多样性和异质性标本,在采样区域范围,从a到d,分别从清晰的玻璃,奶油白色水晶白色水晶和黑色玻璃领域的标本。乐队由于长石,硅酸盐和橄榄石是识别;频谱8 b中的一个值得注意的特性是一个很弱的乐队由碳酸钙在1086厘米¹这提供了一个关注的焦点,火星上可能存在碳酸盐为地质储量。⁴¹

Figure 7. Stack-plot of Raman spectra from the SNC Nakhla Mars meteorite, showing the heterogeneity. Reproduced courtesy ESA.

结论

地衣和蓝藻先锋殖民者的极端地面环境和战略适应生存的岩屑下层通过他们的适应能力和修改地质栖息地提供了一个新的见解extremophilic行为。天体生物学的最近的焦点是遥远的行星表面的拉曼光谱传感的关键生物分子标记在寻找现存的或已经灭绝的生命,最后幸存的痕迹,很可能是类似于生物和场景已报告在这里,由石内的和chasmolithic殖民地的生活“限制”的证明;拉曼光谱在这方面的主要优势是能够记录数据从地质和生物标半岛综合体育官方APP下载德甲本的组件对extremophilie描述至关重要。

北极和南极寒冷的沙漠,特别是,提供一些最极端的例子陆地extremophilic生物栖息地,哪里有大型季节性波动的表面温度,高水平的干燥,强烈磨料下降风和太阳辐射强烈日晒增加在低波长、高能UVB UVC组件在春季保护大气臭氧的损耗在高纬度地区。为蓝藻在这些条件下的生存策略包括biogeological修改它们的栖息地以及专业套房的保护生化物质的合成,其中许多显然有一个二元性的功能在保护殖民地和损伤修复机制。识别关键的喇曼光谱生物特征属于这些生物分子保护剂和辅助物种是一个重要的标准拉曼光谱数据库的建设,提出了现存的或已经灭绝的生命迹象的岩石。编译的一个数据库是一个关键阶段的小型life-detection仪器基于拉曼光谱和注定要纳入评估机械行星探测器和数据从这些任务检索;半岛综合体育官方APP下载德甲本文描述了一些陆地场景相关的外星探索生命的签名,并将识别的形式扩大数据库的一部分早期进化过程在行星表面和子表面。

拉曼光谱识别的优点在极端环境中生活的签名从而可以半岛综合体育官方APP下载德甲概括如下:

特定的生物分子指纹识别基于关键指标如类胡萝卜素、叶绿素、芳香族碳氢化合物、卟啉和草酸。
远程使用光纤探针分析能力。
表面处理不重要。
空间分辨率到微米级别。
光谱范围涵盖了从无机基质和生物改性的大部分签名形式和有机保护剂生物分子在地质矩阵。
没有来自水和冰的干扰,这是生命与冻土和极地地区相关签名可能会寻求冰川下面的网站。

关键的喇曼光谱特性可能形成一个初步的地质和生物标记数据库识别的矿物质和表2中给出了火星上的生物标志物;的各种各样的相关资料确定拉曼乐队应该注意。

方解石

CaCO₃

1086年

712年

282年

156年

霰石

CaCO₃

1086年

704年

208年

154年

白云石

CaMg(有限公司₃)₂

1098年

725年

300年

177年

菱镁矿

MgCO₃

1094年

738年

330年

213年

119年

水菱镁矿

毫克₅(有限公司₃)₄(哦)₂.4H₂O

半岛app应用下载1119年

728年

326年

232年

202年

184年

147年

石膏

卡索₄.2H₂O

1133年

1007年

669年

618年

492年

413年

无水石膏

卡索₄

1015年

674年

628年

500年

416年

石英

SiO₂

1081年

1064年

808年

796年

696年

500年

542年

463年

354年

263年

206年

128年

赤铁矿

菲₂O₃

610年

500年

411年

293年

245年

226年

褐铁矿

FeO说(哦)nH₂O

693年

555年

481年

393年

299年

203年

磷灰石

Ca₅(PO₄)₃(F, Cl,哦)

1034年

963年

586年

428年

Weddellite

Ca (C₂O₄)2 h₂O

1630年

1475年

1411年

910年

869年

597年

506年

188年

Whewellite

Ca (C₂O₄)H₂O

1629年

1490年

1463年

1396年

942年

896年

865年

596年

521年

504年

223年

207年

185年

141年

叶绿素

C₅₅H_72年O₅N₄毫克

1438年

1387年

1326年

1287年

1067年

1048年

988年

916年

744年

517年

351年

c-phycocyanin

C₃₆H₃₈O₆N₄

1655年

1638年

1582年

1463年

1369年

1338年

1272年

1241年

1109年

1054年

815年

665年

499年

β-胡萝卜素

C₄₀H₅₆

1515年

1155年

1006年

根生果的酸

C₂₆H₂₃O₆

1665年

1610年

1595年

1518年

1496年

1477年

1347年

1303年

1002年

944年

902年

787年

448年

Scytonemin

C₃₆H_20.N₂O₄

1605年

1590年

1549年

1444年

1323年

1283年

1245年

1172年

1163年

984年

752年

675年

574年

270年

Calycin

C₁₈H₁₀O₅

1653年

1635年

1611年

1595年

1380年

1344年

1240年

1155年

1034年

960年

878年

498年

484年

Parietin

C₁₆H₁₂O₅

1671年

1631年

1613年

1153年

1387年

1370年

1277年

1255年

926年

571年

519年

467年

458年

398年

地衣酸

C₁₈H₁₆O₇

1694年

1627年

1607年

1322年

1289年

1192年

半岛app应用下载1119年

992年

959年

846年

602年

540年

大黄素

C₁₅H₁₀O₅

1659年

1607年

1577年

1557年

1298年

1281年

942年

565年

467年

Atranorin

C₁₉H₁₈O₈

1666年

1658年

1632年

1303年

1294年

1266年

588年

Pulvinic双内酯

C₁₈H₁₀O₄

1672年

1603年

1455年

1405年

1311年

981年

504年

Gyrophoric酸

C₂₄H_20.O₁₀

1662年

1628年

1612年

1334年

1304年

1291年

1235年

1138年

561年

确认

作者表达他们的感谢同事在欧洲航天局天外火星喇曼RLS科学仪器的跨学科专业团队实现小型化仪器的验收life-detebdapp官方下载安卓版ction火星任务和英国科技设施持续的资金支持拉曼研究研究委员会有关早期演化和天外火星任务。

引用

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