Modder op Mars

Het recente rumoer over water op Mars heeft het raadsel niet opgelost. Hoe kan water diep onder het oppervlak geulen doen ontstaan? Marskenner Michael Carr houdt het op grondverschuivingen.

Karel Knip

Weer was er een Nasa-persconferentie waarop een wetenschappelijk doorbraak werd gepresenteerd die later weer stilletjes is weggepoetst. In februari 1992 kondigde bijvoorbeeld de Nasa, tot ontsteltenis van Europese ozon-onderzoekers een noordelijk ozongat aan dat zich tot over Washington zou uitbreiden. In augustus 1996 waren duidelijke sporen van leven in een Marsmeteoriet gevonden en eind juni 2000 berichtten Nasa- onderzoekers dat er stromend water was gezien op Mars. Nu ja: er waren geulen in de bodem gezien die nog maar net konden zijn gevormd. Of preciezer gezegd: vast niet langer geleden dan een paar miljoen jaar geleden.

Het was een afgedwongen persconferentie. De essentie van een voor Science (30 juni) bedoeld artikel was uitgelekt en werd door internet-station www.space. com voortijdig op het net gezet. De kern van het nieuws was dat op tamelijk veel recente foto's van de Mars Global Surveyer ( MGS) in steile berg- en kraterhellingen kleine geulen waren gezien die niet anders dan door stromend water konden zijn uitgeslepen. In tamelijk jonge geologische formaties en vooral op koude hellingen die van de zon afwezen (dat is: noordgericht op het noordelijk halfrond, zuid in het zuiden). De geulen begonnen vlak onder het Mars- oppervlak.

Op de persconferentie lieten de onderzoekers Michael Malin en Kenneth Edgett zich door hun eigen enthousiasme meeslepen: de geulen zijn misschien maar een paar miljoen jaar oud en we kunnen niet uitsluiten dat ze pas gisteren zijn gevormd. En dat we morgen opeens een nieuwe geulen zien ontstaan, dat zou helemaal leuk zijn! In het Science- artikel zelf hadden ze zich wat de leeftijd van hun geulen betreft zorgvuldig op de vlakte gehouden.

Dat moest wel tot misverstanden aanleiding geven. Marswater-expert number one Michael Carr, die voorheen wel samen met Malin publiceerde, zei beleefd dat hij de resulaten opwindend vond maar dat de verklaringen hem te ver gingen. Zijn scepsis kreeg geen aandacht.

Carr, auteur van het gezaghebbende, zeer gedetailleerde maar toch heel leesbare 'Water on Mars' (Oxford University Press, 1996) wist dat er eigenlijk niets nieuws was gemeld. De foto's van de Global Surveyor hadden een hogere resolutie dan die welke de onvolprezen Viking- satellieten tussen 1976 en 1980 maakten maar droegen voorlopig nog weinig bij aan de oplossing van Mars' grote waterraadsel dat hijzelf, nog uitsluitend aan de hand van Viking-foto's, uitputtend had beschreven.

Dat raadsel was al eind 1971 dankzij de Mariner 9 in beeld gekomen maar werd pas pregênant toen de Vikings vijf jaar later hun scherpe foto's terugseinden. Tot dusver had Mars, afgezien van de poolkappen en een enkele stofstorm veel op de maan geleken, met minstens zoveel inslagkraters, maar steeds duidelijker kwam er iets in beeld dat op de maan ontbrak: rivierbeddingen, sommige met reusachtige afmetingen. In een geologisch ver verleden had vrij water over Mars gestroomd. Omdat de aanwezigheid van water als voorwaarde voor 'leven' wordt beschouwd onstond er onmiddellijk een geweldige aandacht voor de interpretatie van de foto's. Het is een aparte discipline geworden met zijn eigen pikeurs en Carr is er zo een.

Het eerste, meest bescheiden deel van het waterraadsel bestaat uit de waarneming dat Mars nú nergens warm genoeg wordt om water aan het opervlak te laten stromen. Hoeveel water de planeet bij zijn vorming, 4,6 miljard jaar geleden, ook meekreeg van al die samenklonterende meteorieten en stofdeeltjes, alleen in de diepste diepte van de Mars- korst kan het vloeibaar zijn. Tamelijk eenvoudige berekeningen, die de door de Viking-landers gemeten lage waterdampspanning als sterkste uitgangspunt hebben (en waarin verder aannames worden gedaan over zonlicht-weerkaatsend vermogen en de warmtegeleiding van de bodem) laten zien dat water aan het Mars-oppervlak alleen als gas (damp) of als ijs kan voorkomen. Als ijs zet het zich af op de polen als daar de lokale winter invalt. Het wordt er ten slotte door een deken van koolzuursneeuw afgedekt tot de lente weer aanbreekt.

In een brede strook rond de evenaar is het bij de aannemelijk temperatuur en waterdampspanning net niet koud genoeg om er ijs in stand te houden. Het zou er verdampen en de waterdamp zou wegtrekken naar de koudere delen van Mars. Als Mars veel water behouden heeft zit het als ijs onder hogere breedte, dat lijkt wel zeker. Inderdaad zijn daar ook permafrost-achtige verschijnselen te vinden die doen denken aan Siberië en Alaska.

De meeste rivierdalen en -beddingen blijken geologisch gezien heel oud te zijn. Dat wordt afgeleid uit de grote hoeveelheid inslagkraters in het deel van het Marsoppervlak waar ze voorkomen. Meteoriet-inslagen waren kort na het ontstaan van de planeten veel algemener dan nu en oppervlakten waar weinig inslagkraters zijn te vinden moeten dus wel jong zijn. Van belang is dat wetenschappers met sporen van heel oude rivieren eigenlijk geen moeite hebben. Het is aannemelijk dat Mars vroeger warmer was, bij voorbeeld doordat de atmosgeer dikker was en/of doordat de as van de planeet minder scheef stond dan nu. En er zijn nog meer theorieën.

Een volgend deel van het waterraadsel is meer kwantitatief van aard: niemand weet hoeveel water er op Mars verwacht mag worden. Omdat Mars niet, zoals de aarde, een platentektoniek heeft (waarbij voortdurend oppervlakte-materiaal naar de diepte wordt afgevoerd en weer smelt) mag worden aangenomen dat de ontelbare meteorietinslagen een heel poreus soort bodem hebben achtergelaten: een 'mega-regoliet'. Berekeningen (met in situ waarnemingen aan de maan als leidraad) maken aannemelijk dat het bergend volume van de regoliet enorm is en dat er zelfs op enige kilometers diepte nog water in de poriën van de Masrsbodem zou kunnen zitten. Dat is zo diep dat het er, gezien de aanvoer van warmte uit de diepte, in vloeibare vorm zou kunnen zitten. Of dat ook zo is staat niet vast.

Het meest intrigerender deel van het waterraadsel komt van de vraag wt er eigenlijk stroomde toen de rivierdalen en rivierbeddingen in het geologisch verleden werden gevormd. En waaròm het stroomde. Op de Viking- en Global Surveyer-foto's zijn twee soorten opgedroogde riviersystemen te zien: de eerste en meest zeldzame worden 'outflow channels' of 'flood channels' genoemd. Het zijn beddingen van een onaardse breedte die meestal abrupt en op volle breedt beginnen in zogenoemd 'chaotisch terrein' en in veel vertakkingen eindigen. Aangenomen wordt dat ze ontstonden toen grote ondergrondse, door ijs afgedekte waterbekkens onder invloed van vulkanisme of een meteorietinslag of door het breken van een natuurlijke dam plotseling leegliepen. De outflow channels kunnen zowel in een warm als een koud klimaat zijn ontstaan. Meer algemeen zijn wijdverbreide netwerken van rivierdalen ('valley networks') die op het eerste gezicht sterk lijken op aardse stelsels van rivierdalen. Ze beginnen, zoals op aarde, met een aanvoer uit verschillende kleine stroompjes die zich verenigen tot een hoofdstroom die later weer vertakt. Maar nadere beschouwing leert dat de Mars-dalen op heel belangrijke punten verschillen van aardse dalen. Carr meent onder (veel) meer aan het dwarsprofiel te zien dat hetgeen voor rivierdalen wordt aangezien in feite zeer brede beddingen zijn. En door die beddingen stroomde volgens hem geen water maar waterhoudend sediment, modder zo men wil. 'Het was het dal zelf dat door het dal bewoog.' Hoe dat laatste precies in zijn werk ging is nog voorwerp van speculatie. Het is denkbaar dat waterbeweging diep onder het sediment het sediment meevoerde. Het aantrekkelijke van Carr's theorie van 'mass wasting' is dat zij toestaat dat beddingen ook bij de huidige lage temperaturen ontstaan. Want het was ook Carr niet ontgaan dat een aantal beddingen door zeer jonge delen van het Mars- oppervlak loopt.

Het soort kleine, jonge geultjes dat Malin en Edgett nu in Science behandelen had Carr ook al zijdelings ter sprake gebracht. Het zijn er meer dan hij destijds aannam, ze zijn ook misschien jonger en ze ontspringen wat dichter onder het Mars-oppervlak, maar als zodanig voegen ze weinig toe aan het probleem waarmee ze de onderzoeker opzadelen: hoe kan water in hemelsnaam bij de heersende felle kou zo dicht aan het oppervlak vloeibaar zijn geweest. Carr zocht een oplossing in ondergrondse warmtebronnen, in hydrothermische activiteit, maar Malin en Edgett wijzen dat af, overigens zonder sterke onderbouwing, en plaatsen er een heel geforceerde hypothese tegenover. Vooralsnog lijkt het waterraadsel alleen maar groter te zijn geworden.

IEDERE VONDST VAN MARSBACTERIËN VALT TEGEN

Geen teken van leven

Karel Knip

Het zoeken naar vloeibaar water op Mars zal voor een enkele onderzoeker een doel op zichzelf zijn, voor de meesten is het een deel van de speurtocht naar het voorkomen van leven. Daarover is in de afgelopen eeuwen heel verschillend gedacht, maar na 1950, toen duidelijk werd dat Mars maar een heel dunne atmosfeer bezat, werd meer verwacht dan op zijn best een heel primitieve vegetatie. Dat werd er niet beter op toen de satelliet Mariner 4 in 1964 tijdens een eerste fly by beelden van Mars terugstuurden die een onvervalst maanlandschap toonden: een koude, dode woestijn.

De hoop op Marsleven keerde plotseling terug toen de Mariner 9 in november 1971 foto's van rivierdalen en beekbeddingen maakte. In 1975 werden aan de Marslanders Viking I en Viking II, simpele apparaten meegegegeven om de fysiologische activiteit van micro-organismen te meten. In twee experimenten werd aan de kleiachtige bodemmonsters water met organische voedingsstoffen toegevoegd en onderzocht of er ook CO of andere gassen vrijkwamen of werden opgenomen. Een derde type test bracht een bodemmonster in contact met radioactief gelabeld CO en CO. Die laatste test leverde weinig op, maar één van de twee andere experimenten gaf een helder signaal: er kwam radioactief CO vrij. Het leidde begin augustus 1976 tot enthousiaste speculaties in de pers. Toch heeft de Nasa al snel de conclusie getrokken dat dit niet als levensteken mocht worden beschouwd. Een ander gevoelig instrument, een gaschromatograaf/massaspectrometer (GC/MS) had namelijk in bodemmonsters geen spoor van organisch materiaal kunnen aantonen. Omdat er ook geen water was gevonden kòn er eenvoudigweg geen leven zijn geweest. De opvallende CO-productie werd toegeschreven aan een onbekend chemisch proces.

weinig respons

Dr. Gilbert Levin, destijds betrokken bij het LR-experiment, heeft zich nooit neergelegd bij de conclusie en sinds 1997 probeert hij in lezingen, artikelen en een boek te bewijzen dat de uitkomst van 'zijn' proef wèl op levensactiviteit wees. Hij heeft aangetoond dat de GC/MS van de Viking-landers geen lage concentraties organische verbindingen kon opsporen. Veel respons krijgt hij niet uit wetenschappelijke kring.

Indirect hebben de Viking-onderzoekingen toch bijgedragen aan nieuwe speculaties over het voorkomen van leven op Mars. Dankzij hun isotopen- analyse van de Mars-atmosfeer kwam in 1981 onweerlegbaar vast te staan dat een wat buitenissige meteoriet die in 1979 in zuidpoolijs was gevonden (de EETA79001) een brokstuk van Mars was. Elf sterk verwante meteorieten, naar hun vindplaatsen tezamen de SNC-meteorieten genoemd, konden prompt ook als Marsstenen worden aangewezen. Zonder veel ophef berichtten Britse onderzoekers op 20 juli 1989 in Nature dat zij op de EETA79001 belangrijke hoeveelheden organische verbindingen hadden gevonden. Begin augustus 1996 ontstond wel grote opschudding toen op een Nasa-persconferentie werd bekend gemaakt dat sterke aanwijzingen voor leven waren gevonden in de meteoriet ALH84001 (in 1984 bij de Allan Hills op de zuidpool gevonden). Het is de oudste Mars-meteoriet van alle SNC-meteorieten: het gesteente waaruit hij voortkwam moest 4,5 miljard jaar geleden zijn gestold. Niet al te lang daarna waren er door zwaar mechanisch geweld (de inslag van een meteoriet) fijne scheurtjes in ontstaan waarbinnen zich verschillende mineralen hadden afgezet. Toen 15 miljoen jaar geleden opnieuw een meteoriet in de buurt insloeg was de klap zo hevig dat de ALH84001 de ruimte in werd geslingerd. Daar zweefde hij rond, onderworpen aan de invloed van kosmische straling tot- ie landde op de zuidpool waar hij ook nog 13 duizend jaar heeft vertoefd. De gehele geschiedenis is gereconstrueerd aan de hand van isotopenanalyse en wordt niet betwist.

Toen Nasa-onderzoeker David McKay de ALH84001 begin 1994 voor het eerst zag, werd hij getroffen door de grote hoeveelheid kleine ronde en afgeplatte korrels calciumcarbonaat (calciet, kalk) in de scheuren. Kalkafzettingen worden door geologen altijd in de eerste plaats in verband gebracht met biogene processen, met leven dus, in waterig milieu. Dat impliceert een lage vormings-temperatuur en het kwam goed uit dat onderzoeker C.S. Romanek in 1994 al had aangetoond dat de kalkkorrels inderdaad bij lage temperatuur waren gevormd. (En weer minder goed dat anderen in 1996 juist aanwijzingen zagen voor een hoge temperatuur.)Geestdriftig raakte McKay toen hij met behulp van een scanning microscoop ook vormsels (hij noemt ze features, objects, textures, etc.) rond en op de calcietkorrels waarnam die als twee druppels water leken op bacteriën, zij het ongekend kleine bacteriën: nano-bacteriën. Vanaf dat moment is McKay's ploeg gaan jagen op andere aanwijzingen voor een biogene vorming van de kalkkorrels. Ze vonden ze tenslotte in een eigenaardige zonering van ijzer- en magnesiumverbindingen rond de korrels die volgens hen nooit langs abiotische weg zouden kunnen ontstaan en daarentegen juist wel rond en bij aardse bacteriën was gezien. Bovendien bleek dat in het bijzonder de aangetroffen kristallen ijzeroxide (magnetiet) sterk leken op insluitsels die aardse bacteriën wel gebruiken om zich op het magnetisch veld te oriënteren. Toen Stanford-onderzoeker Richard Zare ook nog PAK's (polycyclische aromatische koolwaterstoffen) op en om de kalkkorrels aantoonde wist McKay genoeg. P AK's, ook alom aanwezig in aardolie en steenkool, gelden als de resten van verdwenen leven. Er kon gepubliceerd worden.

Dwerg-bacteriën

Maar binnen een half jaar had de wetenschappelijke gemeenschap McKay geknipt en geschoren. Men vond zijn dwerg-bacteriën te klein om nog levensvatbaar te zijn, ze hadden geen plaats voor voldoende moleculen DNA, RNA en eiwit. De enige aardbewoner die op aarde ook zulke mini- vormsels had gezien, Robert Folk, had nog steeds niet bewezen dat het bacteriën waren geweest. Bovendien konden abiotische processen makkelijk gelijksoortige groeisels doen ontstaan (zie illustratie).

Foto NASA Foto Dougherty and Hyde

Nasa-onderzoeker David McKay hield de befaamde 'worm'die hij met een scanning electronen microscoop op een kalkkorrel van de Marsmeteoriet ALH84001 ontdekte (boven) voor de resten van een snoer bacteriën : een teken van leven. Inmiddels staat vast dat soortgelijke vormen ook langs abionische weg kunnen onstaan : een aggregaat carbonaatkristallen in silicagel (onder)

De kalkkorreltjes waren niet 4,0 maar slechts 1,1 miljard jaar oud (toen was er geen vrij water meer op Mars) en waarschijnlijk waren ze gevormd bij een te hoge temperatur om leven mogelijk te maken. Metingen bewezen dat de ALH84001 toch flink vervuild was met aards materiaal, hij kon zijn PAK's wel in het zuidpoolijs hebben opgedaan. Ook worden PAK's gevonden op meteorieten waarop zeker nooit leven heeft geleefd. Last but not least: Mars had geen magnetisch veld, dus magnetiet-kristallen binnen een bacterie hadden geen nut. Er was maar één lichtpuntje: de Britse onderzoekers die aan de EETA79001 werkten hadden in het organisch materiaal ongewoon veel van de isotoop C gevonden: een teken van leven. Dat was ruwweg de stand van zaken in de zomer van 1997. Inmiddels lijkt wel vast te staan dat de kalkkorreltjes toch heel oud zijn (4,0 miljard jaar oud) en dat ze bij lage temperatuur en waarschijnlijk in waterig milieu zijn ontstaan. Ook blijkt Mars in die tijd wel degelijk een magnetisch veld gehad te hebben (wat de kans op leven sowieso vergroot: het veld beschermt tegen kosmische straling).

Maar veel van de steekhoudende bezwaren bleven bestaan en er kwamen onlangs de onthutsende resultaten bij van een heel voor de hand liggend experiment: laat je een steriele waterige oplossing waarin voldoende calcium, ijzer, magnesium, sulfide, kooldioxide e.d. aanwezig is indampen dan zetten zich kalkkorreltjes af die sprekend lijken op die van de ALH84001, dat is: inclusief de zonering (Meteoritics & Planetary Science, mei 2000). Geen nano-bacterie voor nodig.