通过研究火星上的化学元素，科学家们可以倒推历史，拼凑出火星这颗曾经拥有维持生命所需条件星球的历史。从大约1.4亿英里（2.25亿公里）外的地球逐个元素编织这个故事是一个艰苦的过程。但是科学家不是那种容易被吓倒的人，火星上的轨道器和火星车已经证实，由于包括干燥的河床、古老的海岸线和含盐的表面化学等线索，表明这个火星曾经有过液态水。
利用美国宇航局的好奇号火星车，科学家们发现了火星湖泊长期存在的证据。还挖掘出了有机化合物，也就是生命的化学构件。液态水和有机化合物的结合迫使科学家们继续搜索火星，寻找过去或现在的生命迹象。尽管到目前为止发现了诱人的证据，但科学家们对火星历史的理解仍在展开，有几个主要问题有待商榷。首先，古老的火星大气层是否足够厚，足以让火星保持温暖，从而保持湿润，以满足萌芽和培育生命所需的时间？
至于有机化合物：它们是生命的迹象，还是火星岩石与水和阳光相互作用时发生的化学迹象？在新发表在《自然天文学》期刊上的研究中，科学家提供了一些见解，帮助回答这些问题。这项多年的实验是在“好奇号”肚子里的化学实验室进行，名为“火星样本分析”(SAM)。研究发现，盖尔陨石坑岩石中的某些矿物，可能是在冰盖的湖泊中形成。这些矿物可能是在夹在暖期之间的寒冷阶段形成，或者是在火星失去了大部分大气层并开始变得永久寒冷之后形成的。
火星寒冷结冰的条件
盖尔陨石坑的大小相当于康涅狄格州和罗德岛总和，被选为好奇号火星车的着陆点，因为它有过去有水的迹象，包括可能有助于捕获和保存古代有机分子的粘土矿物。事实上，在探索火山口中心一座名为夏普山(Mount Sharp)的山脚时，好奇号发现了一层1000英尺(304米)厚的沉积物，它是作为泥浆沉积在古代湖泊中的。为了形成如此多的沉积物，令人难以置信数量的水将流入这些湖泊，持续数百万到数千万年的温暖和潮湿。
但陨石坑中的一些地质特征也暗示了过去包括寒冷、结冰的条件。美国宇航局戈达德太空飞行中心的地球化学家希瑟·弗兰兹说：在某种程度上，火星表面的环境肯定经历了从温暖潮湿到寒冷干燥的转变，就像现在这样，但这种转变发生的确切时间和方式仍然是一个谜。领导火星样本分析研究的弗兰兹指出：火星倾斜度和火山活动量的变化等因素，可能会导致火星气候随着时间的推移在温暖和寒冷之间交替。
火星岩石中的化学和矿物学变化支持了这一观点，表明一些层形成于较冷的环境中，另一些形成于较温暖的环境中。但无论如何，到目前为止，“好奇号”火星车收集的一系列数据表明：该研究小组看到了记录在岩石中火星气候变化的证据。在火星样本分析实验室从13个尘埃和岩石样本中提取了二氧化碳和氧气后，研究团队发现了火星寒冷古代环境的证据，好奇号在五个地球年(地球年与火星年)中收集了这些样本。
火星气候故事中的碳和氧
二氧化碳是一个碳原子与两个氧原子结合的分子，碳是神秘火星气候的关键证人。事实上，这种简单而多才多艺的元素，在寻找其他地方的生命时就像水一样至关重要。在地球上，碳在空气、水和地表持续流动，这是一个众所周知依赖于生命的循环。例如，植物以二氧化碳的形式从大气中吸收碳。作为回报，它们产生氧气，人类和大多数其他生命形式在这个过程中利用氧气进行呼吸。最终碳再次通过二氧化碳释放到空气中，或者随着生命形式的死亡和被掩埋而释放到地壳中。
科学家们发现火星上也存在碳循环，并正在努力了解这一点。或许这颗红色星球上的水很少，曾经表面生命可能也很丰富，至少在过去的30亿年里，碳循环与地球有很大的不同。美国国家航空航天局戈达德分部主任、SAM首席研究员保罗·马哈菲(Paul Mahaffy)表示：尽管如此，碳循环仍在进行，而且仍然很重要，因为它不仅有助于揭示有关火星古代气候的信息，这也向我们表明，火星是一颗充满活力的行星，它在循环元素，而这些元素是生命的建筑块。
提供条件
在好奇号将岩石和尘埃样本送入火星样本分析后，实验室将每个样本加热到近1650华氏度(900摄氏度)，以释放里面的气体。通过观察释放出二氧化碳和氧气的温度，科学家们可以知道气体来自哪种矿物，这类信息可以了解碳是如何在火星上循环的。各种研究表明，火星古老的大气层(主要含有二氧化碳)可能比的地球大气层要厚。其中大部分已经消失到太空中，但也有一些可能储存在火星表面的岩石中，特别是以碳酸盐的形式储存，碳酸盐是由碳和氧组成的矿物。
在地球上，当空气中的二氧化碳被海洋和其他水体吸收，然后矿化成岩石时，就会产生碳酸盐。科学家们认为火星上也发生了同样的过程，这可能有助于解释火星部分大气发生了什么。然而，火星任务还没有在火星表面发现足够的碳酸盐来支持厚厚的大气层。尽管如此，火星样本分析确实检测到的少数碳酸盐，通过储存在其中的碳和氧同位素揭示了一些关于火星气候的有趣信息，同位素是具有不同质量元素的不同版本。
由于不同的化学过程，从岩石形成到生物活性，以不同的比例使用这些同位素，岩石中重同位素与轻同位素比例为科学家提供了岩石形成的线索。在火星样本分析发现的一些碳酸盐中，科学家们注意到氧同位素比火星大气中的氧同位素要轻。这表明，碳酸盐并不是在很久以前简单地由大气中的二氧化碳吸收到湖泊中形成。如果是这样的话，岩石中的氧同位素会比空气中的氧同位素稍重一些。虽然碳酸盐有可能在火星历史上形成得非常早，当时的大气成分与今天略有不同。
碳都到哪里去了？
但研究人员认为，碳酸盐更有可能是在冰冻的湖泊中形成。在这种情况下，冰可能会吸收重氧同位素，并留下最轻的氧同位素，然后形成碳酸盐。其他好奇号科学家也提出了证据，表明盖尔陨石坑中可能存在被冰覆盖的湖泊。火星上碳酸盐丰度低令人费解，如果盖尔陨石坑没有太多这样的矿物，也许早期火星大气比预想的要薄，或者也许有其他东西在储存丢失的大气碳。
根据分析，一些碳可以被隔离在其他矿物中，比如草酸盐，草酸盐以不同于碳酸盐的结构储存碳和氧，其假设是基于火星样本分析内部一些样品释放二氧化碳的温度（对于碳酸盐来说太低，但对于草酸盐来说恰到好处）以及与科学家在碳酸盐中看到的不同的碳和氧同位素比率。草酸盐是地球上植物产生最常见的有机矿物类型，但是草酸盐也可以在没有生物的情况下产生。
碳酸盐分子模型
一种方法是通过大气中的二氧化碳与地表矿物质、水和阳光相互作用，这一过程被称为非生物光合作用。这种化学物质在地球上很难找到，因为地球上有丰富的生命，但研究团队希望在实验室里创造非生物光合作用，以找出它是否真的对在盖尔陨石坑看到的碳化学有关。在地球上，非生物光合作用可能已经为一些最早微观生命形式中的光合作用铺平了道路，这就是为什么在其他行星上发现光合作用会引起天体生物学家兴趣的原因。
即使事实证明是非生物光合作用将大气中的一些碳锁定在盖尔陨石坑岩石中，研究人员也想研究来自火星不同地区的土壤和尘埃，以了解在盖尔陨石坑的结果，是否反映了一幅火星全球图景。也许有一天会有机会这样做，美国宇航局“毅力号”火星漫游车计划在2020年7月至8月期间发射到火星，而且计划在火星杰零陨石坑收集样品，以便可能返回地球上的实验室。
