Al estudiar los elementos químicos en Marte hoy en día, incluidos el carbono y el oxígeno, los científicos pueden trabajar hacia atrás para reconstruir la historia de un planeta que alguna vez tuvo las condiciones necesarias para albergar vida.

Tejer esta historia, elemento por elemento, desde aproximadamente 225 millones de kilómetros de distancia es un proceso minucioso. Pero los científicos no son del tipo que se pueda disuadir fácilmente. Los sondas espaciales y los rovers en Marte han confirmado que el planeta alguna vez tuvo agua líquida, gracias a pistas que incluyen lechos de ríos secos, costas antiguas y química de superficie salada. Utilizando el rover Curiosity de la NASA, los científicos han encontrado evidencias de lagos longevos. También desenterraron compuestos orgánicos, o componentes químicos de la vida. La combinación de agua líquida y compuestos orgánicos obliga a los científicos a seguir buscando en Marte signos de vida pasada o presente.

A pesar de la tentadora evidencia encontrada hasta ahora, la comprensión de los científicos de la historia marciana aún se está desarrollando, con varias preguntas importantes abiertas para debate. Por un lado, ¿era la antigua atmósfera marciana lo suficientemente gruesa como para mantener el planeta cálido y, por lo tanto, húmedo, durante el tiempo necesario para germinar y nutrir la vida? Y los compuestos orgánicos: ¿son signos de vida o de química que ocurre cuando las rocas marcianas interactúan con el agua y la luz solar?

En un reciente informe de Nature Astronomy sobre un experimento de varios años realizado en el laboratorio de química SAM que lleva a bordo el rover Curiosity, un equipo de científicos ofrece algunas ideas para ayudar a responder estas preguntas. El equipo descubrió que ciertos minerales en rocas en el Cráter Gale pueden haberse formado en un lago cubierto de hielo. Estos minerales pueden haberse formado durante una etapa fría intercalada entre períodos más cálidos, o después de que Marte perdió la mayor parte de su atmósfera y comenzó a enfriarse permanentemente.

Gale es un cráter del tamaño de Connecticut y Rhode Island combinados. Fue seleccionado como el sitio de aterrizaje de Curiosity en 2012 porque tenía signos de agua pasada, incluidos minerales de arcilla que podrían ayudar a atrapar y preservar moléculas orgánicas antiguas. De hecho, mientras exploraba la base de una montaña en el centro del cráter, llamado Monte Sharp, Curiosity encontró una capa de sedimentos de 304 metros de espesor que se depositó como barro en lagos antiguos. Para formar tanto sedimento, una gran cantidad de agua habría fluido hacia esos lagos durante millones a decenas de millones de años cálidos y húmedos, dicen algunos científicos. Pero algunas características geológicas en el cráter también insinúan un pasado que incluía condiciones frías y heladas.

"En algún momento, el ambiente de la superficie de Marte debe haber experimentado una transición de ser cálido y húmedo a ser frío y seco, como es ahora, pero exactamente cuándo y cómo ocurrió eso sigue siendo un misterio", dice Heather Franz, geoquímica de la NASA en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland.

Franz, quien dirigió el estudio de SAM, señala que factores como los cambios en la oblicuidad de Marte y la cantidad de actividad volcánica podrían haber causado que el clima marciano se alternara entre cálido y frío con el tiempo. Esta idea está respaldada por cambios químicos y mineralógicos en las rocas marcianas que muestran que algunas capas se formaron en entornos más fríos y otras en los más cálidos.

En cualquier caso, dice Franz, la variedad de datos recopilados por Curiosity hasta el momento sugiere que el equipo está viendo evidencias del cambio climático marciano registrado en las rocas.

El equipo de Franz encontró evidencias de un ambiente antiguo y frío después de que el laboratorio SAM extrajo los gases dióxido de carbono o CO2 y oxígeno de 13 muestras de polvo y roca. Curiosity recolectó estas muestras en el transcurso de cinco años terrestres.

El CO2 es una molécula de un átomo de carbono unido con dos átomos de oxígeno, con el carbono como testigo clave en el caso del misterioso clima marciano. De hecho, este elemento simple pero versátil es tan crítico como el agua en la búsqueda de vida en otros lugares. En la Tierra, el carbono fluye continuamente a través del aire, el agua y la superficie en un ciclo bien comprendido que depende de la vida. Por ejemplo, las plantas absorben carbono de la atmósfera en forma de CO2. A cambio, producen oxígeno, que los humanos y la mayoría de las otras formas de vida usan para la respiración en un proceso que termina con la liberación de carbono al aire, nuevamente a través del CO2, o en la corteza terrestre a medida que las formas de vida mueren y son enterradas.

Los científicos están descubriendo que también hay un ciclo de carbono en Marte y están trabajando para comprenderlo. Con poca agua o abundante vida en la superficie del Planeta Rojo durante al menos los últimos 3 mil millones de años, el ciclo del carbono es muy diferente al de la Tierra.

"Sin embargo, el ciclo del carbono sigue ocurriendo y sigue siendo importante porque no solo ayuda a revelar información sobre el clima antiguo de Marte", dice Paul Mahaffy, investigador principal de SAM y director de la División de Exploración del Sistema Solar de la NASA en Goddard. "También nos muestra que Marte es un planeta dinámico donde están circulando elementos que son los bloques de construcción de la vida tal y como la conocemos".

Después de que Curiosity introdujo muestras de roca y polvo en SAM, el laboratorio calentó cada una a casi 900 ºC para liberar los gases en su interior. Al observar las temperaturas del horno que liberaban CO2 y oxígeno, los científicos podían determinar de qué tipo de minerales provenían los gases. Este tipo de información les ayuda a comprender cómo se está ciclando el carbono en Marte.

Varios estudios han sugerido que la atmósfera antigua de Marte, que contiene principalmente CO2, puede haber sido más gruesa que la de la Tierra en la actualidad. La mayor parte se ha perdido en el espacio, pero alguna se puede almacenar en rocas en la superficie del planeta, particularmente en forma de carbonatos, que son minerales hechos de carbono y oxígeno. En la Tierra, los carbonatos se producen cuando el CO2 del aire se absorbe en los océanos y otros cuerpos de agua y luego se mineraliza en rocas. Los científicos piensan que el mismo proceso ocurrió en Marte y que podría ayudar a explicar lo que le sucedió a la atmósfera marciana.

Sin embargo, las misiones a Marte no han encontrado suficientes carbonatos en la superficie para soportar una atmósfera espesa.

Sin embargo, los pocos carbonatos que SAM detectó revelaron algo interesante sobre el clima marciano a través de los isótopos de carbono y oxígeno almacenados en ellos. Los isótopos son versiones de cada elemento que tienen masas diferentes. Debido a que diferentes procesos químicos, desde la formación de rocas hasta la actividad biológica, usan estos isótopos en diferentes proporciones, las proporciones de isótopos pesados a ligeros en una roca proporcionan a los científicos pistas sobre cómo se formó la roca.
En algunos de los carbonatos que encontró SAM, los científicos notaron que los isótopos de oxígeno eran más ligeros que los de la atmósfera marciana. Esto sugiere que los carbonatos no se formaron hace mucho tiempo simplemente por el CO2 atmosférico absorbido en un lago. Si lo hubieran hecho, los isótopos de oxígeno en las rocas habrían sido un poco más pesados que los del aire.

Si bien es posible que los carbonatos se formaron muy temprano en la historia de Marte, cuando la composición atmosférica era un poco diferente de lo que es hoy, Franz y sus colegas sugieren que los carbonatos probablemente se formaron en un lago helado. En este escenario, el hielo podría haber aspirado isótopos pesados de oxígeno y dejar los más ligerps para formar carbonatos más tarde. Otros científicos de Curiosity también han presentado evidencias que sugieren que lagos cubiertos de hielo podrían haber existido en el Cráter Gale.

La baja abundancia de carbonatos en Marte es desconcertante, dicen los científicos. Si no hay muchos de estos minerales en el Cráter Gale, tal vez la atmósfera inicial fue más delgada de lo previsto. O tal vez algo más está almacenando el carbono atmosférico faltante.

Con base en su análisis, Franz y sus colegas sugieren que algo de carbono podría ser secuestrado en otros minerales, como los oxalatos, que almacenan carbono y oxígeno en una estructura diferente a la de los carbonatos. Su hipótesis se basa en las temperaturas a las que se liberaron CO2 de algunas muestras dentro de SAM, demasiado bajas para los carbonatos, pero adecuadas para los oxalatos, y en las diferentes proporciones de isótopos de carbono y oxígeno que los científicos vieron en los carbonatos.

Los oxalatos son el tipo más común de mineral orgánico producido por las plantas en la Tierra. Pero los oxalatos también se pueden producir sin biología. Una forma es a través de la interacción del CO2 atmosférico con los minerales superficiales, el agua y la luz solar, en un proceso conocido como fotosíntesis abiótica. Este tipo de química es difícil de encontrar en la Tierra porque hay abundante vida aquí, pero el equipo de Franz espera crear una fotosíntesis abiótica en laboratorio para determinar si realmente podría ser responsable de la química del carbono que están viendo en el Cráter Gale.

En la Tierra, la fotosíntesis abiótica puede haber allanado el camino para la fotosíntesis entre algunas de las primeras formas de vida microscópicas, por lo que encontrarla en otros planetas interesa a los astrobiólogos.

Incluso si resulta que la fotosíntesis abiótica bloqueó algo de carbono de la atmósfera en rocas en el Cráter Gale, a Franz y sus colegas les gustaría estudiar el suelo y el polvo de diferentes partes de Marte para entender si sus resultados del Cráter Gale reflejan una imagen global. Es posible que algún día tengan la oportunidad de hacerlo. El rover Perseverance de la NASA, que se lanzará a Marte entre Julio y Agosto de 2020, planea recoger muestras en el Cráter Jezero para un posible regreso a los laboratorios en la Tierra.