[科普中國]-好奇號(hào)發(fā)現(xiàn)有機(jī)物：火星存在生命？

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地球之外的其他天體上存在生命嗎？我們?cè)谟钪嬷泄陋?dú)嗎？

自人類開始探索宇宙以來，探索生命的痕跡就是我們孜孜以求的重要目標(biāo)之一。外星人和外星生物，一直是大量科幻小說的主題。

人們?cè)?jīng)想象月亮里居住著嫦娥玉兔，想象地球上看不見的月球背面有外星人的基地；

人們?cè)?jīng)想象和地球大小質(zhì)量差不多，距離太陽距離也差不多的金星一定有著非常適宜生命居住的環(huán)境；

人們?cè)?jīng)想象火星上有高等生命修建的遍布全球的河道，可以灌溉整個(gè)火星……

然而，這些幻想在探測(cè)器時(shí)代來臨之后都一一破滅了。

至少，在人類目前的探測(cè)范圍內(nèi)，并沒有找到像我們一樣的高等智慧生命。

那么如果只是生命呢？畢竟，在地球的46億年歷史中，人類不過存在了幾百萬年而已，而微生物卻已經(jīng)存在了三十五億年以上了。

太陽系中還有其他星球上有生命存在嗎？

很不幸，人類目前只能局限于自己對(duì)碳基生命的認(rèn)知。于是人類把對(duì)“生命”這種形態(tài)的探索，濃縮為了對(duì)液態(tài)水和有機(jī)物的搜尋。

火星上存在生命嗎？至少，火星上曾經(jīng)存在過生命嗎？理論上來說，這是很有可能的。畢竟遠(yuǎn)古的火星遠(yuǎn)不像今天那樣寒冷干燥，而是很可能有磁場(chǎng)和大氣層保護(hù)，有活躍的地質(zhì)活動(dòng)，有豐沛的液態(tài)水——那么，如果在35億年前的地球上誕生了微生物，為什么同樣氣候適宜的火星不會(huì)呢？

1、海盜號(hào)的嘗試

早在1976年登陸火星的海盜1號(hào)和2號(hào)就試圖尋找答案。兩艘海盜號(hào)都攜帶了四件專門用于搜尋火星上的有機(jī)物的科學(xué)儀器：氣相色譜-質(zhì)譜儀（GC-MS）、氣體交換實(shí)驗(yàn)儀（GEX）、熱解釋放實(shí)驗(yàn)儀（PR）和標(biāo)記釋放實(shí)驗(yàn)儀（LR）。

海盜1號(hào)和2號(hào)用于探測(cè)有機(jī)物的科學(xué)儀器。（來源：NASA）

然而，氣相色譜-質(zhì)譜儀（GC-MS）、氣體交換實(shí)驗(yàn)儀（GEX）和熱解釋放實(shí)驗(yàn)儀（PR）在搜尋了火星土壤和大氣之后一無所獲。這并不令人意外，畢竟火星沒有臭氧層，劇烈的紫外輻射應(yīng)當(dāng)會(huì)消滅表面所有的有機(jī)物。

但標(biāo)記釋放實(shí)驗(yàn)儀（LR）似乎探測(cè)到了一些有機(jī)物的代謝產(chǎn)物，雖然這個(gè)結(jié)果并沒有被廣泛采信，因?yàn)镚C-MS和GEX的結(jié)果顯然更為可靠，尤其是當(dāng)2008年鳳凰號(hào)著陸器在火星土壤中發(fā)現(xiàn)了高氯酸鹽這種強(qiáng)氧化劑之后。也就是說，這些產(chǎn)物很可能僅僅是無機(jī)物被火星土壤氧化產(chǎn)生的。

不過，也有一些科學(xué)家認(rèn)為，之所以GC-MS沒有探測(cè)到有機(jī)物，是因?yàn)長(zhǎng)R可以探測(cè)到極其微量的產(chǎn)物而GC-MS沒有這么敏感；還有一些科學(xué)家認(rèn)為，沒有檢測(cè)到土壤中的有機(jī)物正是因?yàn)檫@些有機(jī)物被高氯酸鹽之類的強(qiáng)氧化劑分解了，證據(jù)是后來對(duì)海盜號(hào)樣本的重新分析中探測(cè)到了氯甲烷和二氯甲烷，這是有機(jī)物被高氯酸鹽分解的常見副產(chǎn)品(Navarro‐Gonzálezet al., 2010) ，但這些氯甲烷含量太過微弱，似乎也不足以采信。

2、火星隕石的線索

但即使火星表面沒有有機(jī)物存在，地下有沒有呢？雖然那時(shí)候的我們尚沒有去火星掘地三尺的能力，但來自火星的隕石似乎可以給出一點(diǎn)線索。

火星隕石中似乎也有發(fā)現(xiàn)過有機(jī)物甚至微生物的痕跡，例如發(fā)現(xiàn)于南極的ALH84001隕石(McKay et al., 1996; Jull et al., 1998; Bada et al., 1998)，但這顆古老的隕石已經(jīng)在地球上靜靜沉睡了一萬多年了，焉知不是受到了地球上有機(jī)物的污染？

火星隕石ALH84001和它在電子顯微鏡下的奇特結(jié)構(gòu)。（來源：NASA）

發(fā)現(xiàn)于摩洛哥的Tissint隕石似乎更靠譜一些，這是人類少有的目擊到降落過程并且迅速尋找到的火星隕石，可以認(rèn)為是幾乎沒有受到地球“污染”的。有研究在Tissint隕石里發(fā)現(xiàn)了生油母質(zhì)這種大分子復(fù)雜有機(jī)物和較低的13C同位素的含量比例，這些都很可能是生物作用引起的(Lin et al., 2014)。但這種因果關(guān)系畢竟不是唯一的，還有其他一些非生物的地質(zhì)作用也可能產(chǎn)生類似的結(jié)果。

（左）Tissint隕石的一部分，來源：維基；（右）Tissint隕石的13C同位素的含量比例低于火星的二氧化碳，這很可能是因?yàn)樯锘顒?dòng)會(huì)產(chǎn)生更多較輕的12C（改編自：Lin et al. (2014)）

總之，不管是海盜號(hào)的實(shí)地探測(cè)結(jié)果，還是火星隕石的分析，都沒有給出明確的結(jié)論，反而留下了更多爭(zhēng)議。

人類一次又一次地發(fā)現(xiàn)希望，然后一次又一次地用科學(xué)和理性去謹(jǐn)慎地否定和質(zhì)疑這些可能性。

3、希望之星“好奇號(hào)”

然而，火星畢竟還是人類的希望之地，畢竟海盜號(hào)是當(dāng)時(shí)人類第一/二艘成功著陸火星并進(jìn)行科學(xué)探測(cè)的探測(cè)器，在蘇聯(lián)的幾次迷之著陸失敗的陰影之下，安全著陸才是第一要?jiǎng)?wù)，對(duì)著陸點(diǎn)是不是肥沃豐饒的有機(jī)物富集地就沒那么高要求了。

也就不難理解，當(dāng)2012年8月，好奇號(hào)火星車著陸在了火星赤道附近一個(gè)叫做蓋爾環(huán)形山的隕石坑中時(shí)，地球上的人們有多么興奮——這個(gè)洼地形成于約35億年前，此后一度是一個(gè)古老的湖泊。再后來，隨著火星變得干燥，湖里的水也慢慢干涸，只剩下散布著泥巖和各種沉積地貌的河床——這里被認(rèn)為是很可能發(fā)現(xiàn)古老有機(jī)物甚至生命痕跡的風(fēng)水寶地。

而且，好奇號(hào)火星車要厲害得多。它是個(gè)打鉆小能手，不再局限于火星表層的物質(zhì)，而是可以通過打鉆來測(cè)量火星表層以下幾厘米深處埋藏的物質(zhì)。好奇號(hào)還帶來了更先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器：它攜帶了一套強(qiáng)大的有機(jī)物探測(cè)裝置，叫做火星樣本分析儀（Sample Analysis at Mars，簡(jiǎn)稱SAM），這是整個(gè)好奇號(hào)火星車上占體積最大，設(shè)計(jì)最復(fù)雜的儀器。

火星樣本分析儀SAM及其內(nèi)部?jī)x器。（來源：NASA）

人們想必對(duì)好奇號(hào)寄予了太多期待，以至于在好奇號(hào)剛剛著陸不久的2012年11月底，NASA甚至要嚴(yán)肅辟謠：

目前所有對(duì)好奇號(hào)新發(fā)現(xiàn)的謠言和猜測(cè)都是錯(cuò)誤的。

截止到目前為止，好奇號(hào)還并沒有發(fā)現(xiàn)任何火星有機(jī)物的證據(jù)。

NASA于2012年11月底發(fā)出的辟謠聲明。（來源：NASA）

不過，好奇號(hào)也確實(shí)探測(cè)到過一些簡(jiǎn)單有機(jī)物，除了火星大氣中常見的甲烷之外，還在火星一處叫做Cumberland的泥巖（好奇號(hào)在2013年5月經(jīng)過）中探測(cè)到過含有2到4個(gè)碳原子的二氯烷烴甚至含有6個(gè)碳原子的氯苯(Freissinetet al., 2015)，但這些有機(jī)物的含量也不高，偶有發(fā)現(xiàn)的更復(fù)雜一點(diǎn)、含碳數(shù)目更高的有機(jī)物含量就更低了。

而含量更高、更確鑿的有機(jī)物富集地，之前一直沒有發(fā)現(xiàn)。

6月8日，《科學(xué)》雜志發(fā)表兩篇論文，通過好奇號(hào)火星車五年多來收集的探測(cè)數(shù)據(jù)，給出了更加確鑿的有機(jī)物存在和變化的證據(jù)(Eigenbrodeet al., 2018; Webster et al., 2018)。

4、噻吩類、芳香族和脂肪族有機(jī)物的確鑿證據(jù)

雖然NASA剛剛修好了自2016年12月起就不能打洞了的鉆孔，并又成功完成了一次鉆孔采樣，但這次的結(jié)果卻和最近那次采樣沒有一點(diǎn)兒關(guān)系——這次是從2014年9月（Confidence Hills）和2015年1月（Mojave）的兩次鉆孔采樣中發(fā)現(xiàn)這些有機(jī)物的。兩處鉆孔采樣的Confidence Hills和Mojave泥巖都位于穆雷構(gòu)造一帶，這一區(qū)域富含河流三角洲沉積物，更可能有豐富的有機(jī)物，也更可能較好地保存古老的有機(jī)物。

本次從Confidence Hills和Mojave兩處泥巖中發(fā)現(xiàn)了豐富的噻吩、芳香族和脂肪族有機(jī)物，之前在Cumberland也發(fā)現(xiàn)過少量二氯烷烴和氯苯。（修改自：NASA）

在加熱到500-820℃后，逸出氣體分析（EGA）顯示出Confidence Hills和Mojave樣本的熱分解產(chǎn)物中含有多種噻吩（C4H4S）類和其他芳香族、脂肪族有機(jī)物，更重要的是，本次探測(cè)到的有機(jī)物總量是之前探測(cè)到的一百倍以上。

噻吩的結(jié)構(gòu)。（來源：NASA）

SAM的逸出氣體分析（EGA）顯示的Mojave樣本的熱分解產(chǎn)物，含有多種噻吩類和其他芳香族、脂肪族有機(jī)物。（來源：Eigenbrodeet al. (2018)）

氣相色譜-質(zhì)譜儀（GC-QMS）的進(jìn)一步分析結(jié)果再次確認(rèn)了ConfidenceHills和Mojave兩處泥巖樣品中含有多種噻吩（C4H4S）類有機(jī)物，含量顯著高于作為對(duì)比組的Cumberland樣本。

SAM氣相色譜-質(zhì)譜儀（GC-QMS）顯示的Mojave樣本的熱分解產(chǎn)物，含有多種噻吩類有機(jī)物，而作為對(duì)比組的Cumberland樣本中則幾乎沒有。（改編自：Eigenbrodeet al. (2018)）

要知道，好奇號(hào)的SAM并不能直接探測(cè)有機(jī)分子的成分，而是必須通過高溫氣化，復(fù)雜的長(zhǎng)鏈有機(jī)物會(huì)在這一過程中發(fā)生分解，也就是說，可以相信，實(shí)際的有機(jī)物成分應(yīng)當(dāng)比探測(cè)到的碳鏈更長(zhǎng)、更為復(fù)雜。EGA的分析顯示樣本的熱分解產(chǎn)物中似乎還有含氮和含氧有機(jī)物，表明樣本中甚至可能有含氨基、羧基、羰基等基團(tuán)的復(fù)雜有機(jī)物。

為什么在穆雷構(gòu)造一帶發(fā)現(xiàn)了遠(yuǎn)高于之前Cumberland一帶的有機(jī)物含量？可能的解釋有很多，比如其他區(qū)域的有機(jī)物本身就更匱乏；或者這里的有機(jī)物暴露出來的時(shí)間更短，受到的破壞更少；也可能是這里的環(huán)境酸性程度不強(qiáng)，有機(jī)物不容易被氧化……但有機(jī)物的硫化可能是最主要的原因，因?yàn)楸敬窝芯繀^(qū)域的總體硫含量是之前火星其他泥巖樣本中的3-10倍。這一硫化過程可能發(fā)生于30多億年前火星早期的成巖作用時(shí)期，而硫化之后的有機(jī)物會(huì)變得更耐分解。

但這些有機(jī)物到底是怎么來的？微生物作用當(dāng)然是一種可能的原因，而且是我們?nèi)祟愖钕Ｍ囊环N原因。想象一下火星地下有類似石油或者煤這樣的由遠(yuǎn)古的微生物甚至更高等的生物參與形成的物質(zhì)，是一件多么激動(dòng)人心的事！隨著火星環(huán)境變得惡劣，曾經(jīng)的微生物可能會(huì)滅絕，以各種形式的殘骸保留下來，甚至?xí)粫?huì)有一部分微生物轉(zhuǎn)向地下，在地下一定深度的土壤和巖石縫隙中繼續(xù)生息繁衍呢？

然而不可否認(rèn)的是，其他一些地質(zhì)過程，例如火山作用或者水熱反應(yīng)，也一樣可能形成類似的有機(jī)物，而另一種可能性，彗星和小行星的撞擊，也非?？赡芙o火星帶來這些有機(jī)物。

但至少，僅僅在地下幾厘米深的地方就有如此豐富的有機(jī)物存在，這最起碼表明即使在如此嚴(yán)酷的環(huán)境下，火星上也有大量有機(jī)物存在。

只是在徹底排除這些非生物原因之前，我們無法斷定這些有機(jī)物一定和生物作用有關(guān)。

不過，本期《科學(xué)》雜志的另一篇論文，關(guān)于火星大氣中甲烷含量的跟蹤測(cè)量，似乎給出了一點(diǎn)希望。

5、火星背景甲烷的季節(jié)性變化

火星大氣中的主要成分是二氧化碳，但人們?cè)缇椭阑鹦谴髿庵杏形⒘康募淄椋还苁堑鼗h(yuǎn)鏡，還是探測(cè)器的光譜測(cè)量，都明確證實(shí)了這一點(diǎn)。只不過，這些甲烷的含量變化莫測(cè)，似乎完全沒有規(guī)律可循。

直到這次，好奇號(hào)通過長(zhǎng)達(dá)五年多的跟蹤觀測(cè)，加上更精密的測(cè)量方法，才終于找到了火星甲烷的變化規(guī)律。

好奇號(hào)對(duì)火星甲烷含量的觀測(cè)通過火星樣本分析儀SAM中的激光光譜儀（TLS）來完成。為了提高觀測(cè)的可靠性，好奇號(hào)這次采用了一種叫做enrichment ingest的方法，這種方法可以更有效地濾掉二氧化碳和水蒸氣的干擾，相比于之前的direct ingest方法，測(cè)量不確定性被大大降低了。

測(cè)量結(jié)果在跨度達(dá)3個(gè)火星年（約6個(gè)地球年）期間顯示出明顯的季節(jié)變化，甲烷含量在夏秋之際達(dá)到最大，而之前和之后都顯著減小。

火星大氣中背景甲烷含量，不同的顏色表示來自不同火星年（1個(gè)火星年約等于2個(gè)地球年）的觀測(cè)數(shù)據(jù)，ppbv表示體積的十億分之一。（來源：Webster etal. (2018)）

另一方面，這次的測(cè)量值整體變化幅度顯著小于之前的觀測(cè)值，可以認(rèn)為這次的測(cè)量結(jié)果體現(xiàn)了火星大氣中甲烷原本的變化規(guī)律，也就是所謂的背景甲烷含量，或者本底值，而之前觀測(cè)到的無規(guī)律的甲烷含量變化，可能是由于區(qū)域性的甲烷爆發(fā)引起的偶發(fā)性異常尖峰。

方塊表示的是direct ingest方法測(cè)量的火星大氣中甲烷含量，不同的顏色表示來自不同火星年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，明顯可以看到這些測(cè)量數(shù)據(jù)誤差更大，變化幅度也更大，而且沒有任何的季節(jié)性變化規(guī)律，這可能是由于區(qū)域性的甲烷爆發(fā)引起的偶發(fā)性異常尖峰而不是火星本身的甲烷變化。（來源：Websteret al. (2018)）

那么火星的背景甲烷含量的周期性變化是由什么引起的？

文章通過理論計(jì)算排除了表面氣壓的年際變化變化和撞擊帶來的有機(jī)物影響，認(rèn)為可能和大氣中的水蒸氣或者與表面溫度有關(guān)的一些過程有關(guān)。這種過程的可能是地質(zhì)作用引起的，例如地下的裂隙或者巖石中貯藏的有機(jī)物，但生物作用也是可能的原因，事實(shí)上，地球上大部分甲烷都是生命活動(dòng)生成的。

不過，在證據(jù)確鑿之前，我們依然不能草率地下斷言。

好奇號(hào)對(duì)火星生命的探索還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有停止。在過去的六年里，好奇號(hào)行走在這片古河床中：從黃刀灣、帕朗山、柏瑞哲盆地、穆雷孤峰行至薇拉?魯賓山脊…事實(shí)上，這次對(duì)鉆孔采樣的分析才只用到了前三年的測(cè)量結(jié)果而已，在那之后，好奇號(hào)還經(jīng)過了更多可能富含有機(jī)物的地方。接下來，它還繼續(xù)向這場(chǎng)探險(xiǎn)之旅最重要的目的地——高達(dá)5000米的夏普峰攀登。

好奇號(hào)在蓋爾環(huán)形山中的行進(jìn)路線。蓋爾環(huán)形山的中央峰夏普山（MountSharp，后被正式命名為伊奧利亞山AeolisMons），是好奇號(hào)的目的地。(來源：Voosen, Science, 2017)

而好奇號(hào)的繼任們，NASA的Mars2020和歐空局的ExoMars火星車已經(jīng)整裝待發(fā)，靜候下一個(gè)火星發(fā)射窗口。

不管是對(duì)火星上的液態(tài)水和有機(jī)物痕跡、木衛(wèi)二和土衛(wèi)二的冰下海洋的探索，或者是讓旅行者號(hào)攜帶著寫滿生命訊息的星際唱片，還是對(duì)系外行星中宜居行星的搜尋……人類渴望在茫茫宇宙中尋找同類。

地球之外的其他天體上存在生命嗎？

我們?cè)谟钪嬷泄陋?dú)嗎？

至少，人類始終在堅(jiān)守著，

不斷壓制住內(nèi)心的狂喜和沖動(dòng)，

一次次撥開幻想與假象的重重迷霧，

一次次用謹(jǐn)慎的態(tài)度去探索、質(zhì)疑和否定。

以科學(xué)與理性的名義。

參考文獻(xiàn)

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