我们离火星生命还有多远?
2020-07-22 09:18

我们离火星生命还有多远?

本文来自微信公众号:行星事务所(ID:haibaraemily_planets),作者:haibaraemily,头图来源:《火星救援》


自人类开始探索宇宙以来,就一直在试图寻找地外生命。而火星作为距离地球最近的天体之一,自然也早早被寄托了人类的无限遐想。


火星人,一直是诸多科幻小说的重要角色甚至假想敌。


出版于1956年的海因莱因科幻名作《双星》中,火星人和火星文明是最重要的背景和元素。不过在小说中,不仅是火星,金星、月球、土卫六、木卫三等星球上也都有高等生命,这些星际之间可通讯、有货运往来。素材来源:1956年美国版封面和1963年英国版封面


但在科幻小说之外,人类也早早就开始了对火星生命的科学探索。


“运河”和“火星人”


十九世纪晚期,时任意大利布雷拉天文台台长的乔凡尼·斯基亚帕雷认为自己通过望远镜在火星表面看到了一些暗色的“线性沟槽”,而且在之后的观测里不断自我强化这些“发现”。


经过一些翻译误传和帕西瓦尔·罗威尔等天文学家的推动,在此后的近百年里,人们开始相信火星表面不仅确实存在这些“沟槽”,而且这些“沟槽”是火星人为灌溉而建造的“运河”。


高(纬)水低(纬)调,思想灰常超前啊▼

人们曾经想象火星上有高等生命修建的遍布全球的“运河”,可以灌溉火星上的干旱地区 | 罗威尔小组绘制的火星“运河”图。来源:维基/Popular Science Monthly Volume 88


如果这样的“推测”是正确的,那么火星上应当有非常高等的智慧生命。这些关于“火星高等文明”的推想无疑影响了当时诸多科学和科幻作品,也给了吃瓜群众们更多关于火星人的期盼。


然而,这些幻想在探测器时代来临之后都一一破灭了。1965-1972年间,NASA水手4号、6号、7号9号的探测数据明确告诉我们:火星大气稀薄、寒冷干燥、荒凉不毛,这里没有火星人这样的高等智慧生命,也压根没有什么运河。


(左)水手4号;(右)水手9号。来源:NASA


那如果只是生命呢?毕竟,在地球的46亿年历史中,人类不过存在了几百万年而已,而微生物却已经存在了35亿年以上了。



火星上存在生命吗?至少,火星上曾经存在过生命吗?


理论上来说,这是有可能的。毕竟远古的火星远不像今天那样寒冷干燥,而是很可能有磁场和大气层保护,有活跃的地质活动,有丰沛的液态水的——那么,如果在35亿年前甚至更早的地球上就已经诞生了微生物,为什么同样气候适宜的火星上不会呢?


曾经的火星假想图。来源:NASA


海盗号的尝试


早在1976年登陆火星的海盗1号和2号就试图寻找答案。两艘海盗号都携带了专门用于搜寻火星有机物的气相色谱-质谱仪(GC-MS)和标记释放实验仪(LR),可以直接分析采样臂采集到的火星土壤样品。


海盗1号和2号用于探测有机物的科学仪器。改编自:NASA


两艘着陆器各自采集了两份火星土壤样品,这些样品被高温气化和分解之后送入气相色谱-质谱仪进行进一步分析。


但在这些产物里,气相色谱-质谱仪只检测出了二氧化碳和氢气,表明这些土壤样品里的目标有机物含量之低,最起码不足以被气相色谱-质谱仪检测出来[1]。这并不令人意外,毕竟火星没有臭氧层,剧烈的紫外辐射完全可能消灭表面所有的有机物。


两艘海盗号着陆器的四份样本分析结果。来源:参考文献[1]


不过,气相色谱-质谱仪(GC-MS)确实从火星土壤中检测出了微量的氯甲烷和二氯甲烷,但这在当时被认为并不来自火星本土,而是地球带来的污染 [1]


标记释放实验仪(LR)似乎探测到了一些有机物的代谢产物 [2],但这个结果并没有被广泛采信。这是因为气相色谱-质谱仪的结果显然更为可靠,尤其是当2008年凤凰号着陆器在火星土壤中发现了高氯酸盐这种强氧化剂之后——标记释放实验仪探测到的这些产物可能仅仅是无机物被火星土壤氧化产生的,和有机物或者生命活动无关。


不过,也有一些科学家认为,既然凤凰号在火星土壤中发现了高氯酸盐,那么有一种可能就不能排除:之所以气相色谱-质谱仪没有探测到有机物,是因为这些有机物被高氯酸盐之类的强氧化剂分解了,证据是海盗号探测到的氯甲烷和二氯甲烷正是有机物被高氯酸盐分解的常见副产品 [3]。另一方面,近年来对海盗号气相色谱-质谱仪结果的重新分析还表明,海盗2号样品的热分解产物里还有微量的氯苯,而且这些氯苯的碳源很可能是火星本土的有机物 [4]


也就是说,海盗号采集的火星土壤样品里可能也有有机物,只是因为种种原因没能被当时的仪器检测出来。


好奇号的发现


尽管2艘海盗号的火星生命探测没有找到答案,但火星毕竟还是人类的希望之地。当好奇号出发前往火星的时候,地球人又重燃起了希望。要知道好奇号带着一身当时最先进的地球化学和地质探测仪器,可是比近四十年前的海盗号着陆器先进太多了。


好奇号火星车工作示意图。来源:NASA


2012年8月,好奇号火星车着陆在了火星赤道附近的盖尔撞击坑中。这个撞击坑形成于约35亿年前,此后一度是一个古老的湖泊。再后来,随着火星变得干燥,湖里的水也慢慢干涸,只剩下散布着泥岩和各种沉积地貌的河床——这里是很可能发现古老有机物甚至生命痕迹的风水宝地。


(左)盖尔撞击坑过去的假想图;(右)如今的盖尔撞击坑和好奇号着陆点。来源:NASA


好奇号是个打钻小能手,它可以通过钻孔来采集和直接研究火星表层以下几厘米深处埋藏的物质。


好奇号钻孔,直径约1.6厘米,下面那个洞深6.4厘米。来源:NASA/JPL-Caltech


好奇号还带来了一套更强大的有机物探测装置,叫做火星样本分析仪(Sample Analysis at Mars,简称SAM),这是整个好奇号火星车上占体积最大,设计最复杂的仪器。


火星样本分析仪SAM及其内部仪器。来源:NASA


人们想必对好奇号寄予了太多期待,以至于在好奇号刚刚着陆不久的2012年11月底,NASA甚至要严肃辟谣:


目前所有对好奇号新发现的谣言和猜测都是错误的。


截止到目前为止,好奇号还并没有发现任何火星有机物的明确证据。


NASA于2012年11月底发出的辟谣声明。来源:NASA


不过,好奇号确实在火星上探测到了碳链更长、更复杂的有机物。


2018年,好奇号团队宣布从好奇号2014年9月(采样点:Confidence Hills)和2015年1月(采样点:Mojave)的两次钻孔采样物质中发现了多种噻吩(C4H4S)、芳香族和脂肪族有机物 [5]——比人们之前在火星发现的有机物要复杂和丰富得多。


两次采样点Confidence Hills和Mojave的位置,更早之前好奇号在Cumberland也发现过少量二氯烷烃和氯苯。修改自:NASA


要知道,好奇号的样本分析仪并不能直接探测有机分子的成分,它探测的是高温后的热分解产物。也就是说,实际的样品中有机物成分应当比探测到的碳链更长、更为复杂。


好奇号样本分析仪(SAM)的逸出气体分析(EGA)显示的采样点Mojave采集样本的热分解产物,含有多种噻吩类(左)和其他芳香族、脂肪族(右)有机物。来源:参考文献 [5]


但这些复杂有机物到底是怎么来的?微生物作用当然是一种可能的原因,而且是我们人类最希望的一种原因。想象一下,火星地下有类似石油或者煤这样的由远古微生物甚至更高等的生物参与形成的物质,这是一件多么激动人心的事!随着火星环境变得恶劣,曾经的微生物可能会灭绝,但以各种残骸的形式保留下来,甚至会不会有一部分微生物转向地下,在地下一定深度的土壤和岩石缝隙中继续生息繁衍呢?


然而不可否认的是,其他一些地质过程也一样可能形成类似的有机物,例如火山作用或者水热反应。而彗星和小行星的撞击,也非常可能给火星带来这些有机物。


但至少,仅仅在地下几厘米深的地方就发现了如此丰富的有机物,这起码表明即使在如今如此严酷的自然环境下,火星上也完全能允许大量有机物存在。


只是在彻底排除这些非生物原因之前,我们还无法断定这些有机物一定和生物作用有关。


火星陨石的线索


目前的发现只能证明火星仅仅在地表下几厘米深处就很可能广泛存在有机物,但这些有机物的存在还不足以让我们和火星的生命活动建立直接的联系。从这个角度来说,来自火星的陨石的线索或许更加令人振奋。


人们确实曾在火星陨石中发现过疑似有机物甚至微生物的痕迹,例如发现于南极的ALH84001陨石 [6-8]。但些古老的陨石已经在地球上静静沉睡了许多年了,焉知不是受到了地球上有机物的污染?


火星陨石ALH84001和它在电子显微镜下形似细菌的奇特结构。来源:NASA


发现于摩洛哥的Tissint陨石似乎更靠谱一些,这是人类少有的目击到降落过程并且迅速被寻找到的火星陨石,可以认为是几乎没有受到地球“污染”的。


Tissint陨石。来源:中国科学院地质与地球物理研究所


2014年,以中国科学院地质与地球物理研究所林杨挺研究员为首的科学家团队在Tissint陨石发现了充填于裂隙和封装在熔脉(岩石高温熔融后形成的结构)中的大分子复杂有机物 [9]


Tissint陨石中的有机碳,充填于裂隙(a-b)和包裹在冲击熔脉(c-e)之中。来源:参考文献 [9]


更准确的说,是一种叫做生油母质,或者地质学上称作“干酪根”的大分子复杂有机物。地球上的生油母质,是埋藏在地下的生物经过高温高压作用后形成的一种类似石油、煤这样的物质,经过一定的加工处理可以直接生成油气的那种。


更给力的是,该研究还发现Tissint陨石中¹³C同位素的含量比例略低于火星大气中二氧化碳的¹³C

同位素含量比例,反而与地球上的石油、煤等与生物有关的有机沉积物中的比例相当。这意味着Tissint陨石中有更多较轻的¹²C——这在地球上是非常显著的生物活动指标,因为地球上的生命活动(植物的光合作用、有机物形成石油和天然气等)都明显倾向于富集更轻的¹²C,而富集¹³C的则几乎都是非生命活动,比如海洋里碳酸钙的沉淀,地幔里碳元素转变为钻石等。


(左)Tissint陨石的一部分,来源:维基;(右)Tissint陨石的13C同位素的含量比例低于火星的二氧化碳,这很可能是因为生物活动会产生更多较轻的12C。改编自:参考文献 [9]


但我们还无法排除另一种可能性:某些未知的非生物的地质作用也可能产生类似的结果。


火星甲烷之谜


除了分析火星固体岩石和土壤样品,跟踪观测火星大气中的甲烷含量和变化或许也能为我们提供另一种探寻火星生命的视角。


火星大气中的主要成分是二氧化碳,但人们早就知道火星大气中有微量的甲烷,不管是地基望远镜,还是探测器的光谱测量,都明确证实了这一点。


火星和地球大气中的主要成分对比。汉化自:ESA [10]


虽说是微量气体,但甲烷有那么点特殊,因为这种气体会不断被紫外辐射等化学反应所分解,通常只能存在几百年。也就是说,如今的火星大气中能观测到的甲烷,意味着火星至少近期在不断产生甲烷。


那这些新产生的甲烷是哪里来的?地球大气中的甲烷大部分是生物活动产生的,那火星上的甲烷呢?我们还不知道。


然而对火星的甲烷观测结果令人头秃。不同探测设备在不同时期观测到的火星不同地点甲烷含量可以说是变化莫测、捉摸不透:


- 过于忽高忽低:高的有地基望远镜在2003年火星夏季北半球观测到的近50 ppbv [11],低的有欧空局痕量气体轨道器(TGO)2018年观测到的不足0.05 ppbv(ppbv表示体积的十亿分之一)[12],能差出1000倍;


- 有时完全“矛盾”:前脚有2019年好奇号在火星表面观测到甲烷的爆发,后脚火星快车5个小时候扫过相同的区域又表示啥都没有 [13]


- 有时又挺“吻合”:2013年,好奇号在火星表面观测到甲烷的爆发,1天后火星快车号过同一片区域时观测到了相似规模的爆发 [14]


充满“矛盾”的甲烷观测结果,你说这叫什么事儿…汉化自:ESA [15]


这些“混乱”表明,火星上的甲烷很可能有明显的季节变化[16]和局部爆发[14],好奇号在火星表面观测到的甲烷激增很可能就是局部性的甲烷爆发,而且这些甲烷会很快散去或者没能传播到更高的大气层中,所以轨道器可能稍晚一些时候就观测不到了。


季节变化▼


2018年,好奇号通过过去长达五年多(横跨3个火星年)的长期跟踪观测数据,首次发现火星大气中的背景甲烷含量呈现出季节性变化:在夏秋之际达到最大,而之前和之后都显著减小。ppbv表示体积的十亿分之一。改编自:NASA


局部暴发▼


2013年好奇号和火星快车号同时观测到的短暂甲烷激增,可能是构造断层入侵附近的地下浅层冰里“锁住”的甲烷而引发的。改编自:ESA/Giuranna et al. (2019) [17]


但这些季节变化和局部爆发是由什么引起的?和生命活动有关么?我们还需要更多进一步探测来寻找答案。


总之,不管是对海盗号和好奇号的实地探测结果、还是对火星陨石和火星大气的分析,都没有给出“火星生命”的明确结论,反而留下了更多争议和谜团。


人类一次又一次地发现希望,然后一次又一次地用科学和理性去谨慎地否定和质疑这些可能性。


但越是非常的结论,越是需要非常坚实的证据,这值得我们的谨慎和等待。


新的征途和希望


尽管目前为止人类尚未发现火星存在(过)生命的实锤,但探测器们近年来新发现的丰富有机物和诸多可能曾经适宜生命的环境,毫无疑问给了我们新的希望。


2020年7月,新的火星赛季再次开启,阿联酋的希望号已于7月20日率先出发,中国的天问一号、NASA的毅力号和机智号也将如约起航,开始人类火星探索新征程。


2020火星赛季的选手们。© CNSA、ESA、NASA、MBRSC


这其中,我国的天问一号将利用矿物光谱仪和次表层雷达,探索火星表面的土壤和地质环境、火星地下水冰和浅表层结构——这将帮助我们进一步了解火星是否存在过适宜生命的环境,是否具备让人类长期探测,甚至建立火星基地的条件。


天问一号着陆火星艺术想象。来源:CNSA


而好奇号火星车的继任者,NASA毅力号火星车则将携带比好奇号更先进的黑科技,继续探索和采集火星上的有机物和疑似生命痕迹。


毅力号火星车艺术想象。来源:NASA


毅力号不仅依然能钻孔采样(约5厘米深),还将担任人类火星采样返回计划的先头部队。它会把一部分采集的样品封装起来,留待之后的火星返回任务带回地球做进一步研究。


毅力号(Mars 2020)采样返回的超时空接力,(2)(3)(4)任务可以一次完成,也可以分期完成,丰俭由人。汉化自:Nature News [18]


本届退赛选手欧空局ExoMars 2022任务也将在2022年前往火星(如果不鸽的话),它计划把人类在火星钻孔采样的深度拓展到地下2米,分析地下更深处的火星样品中是否有生命痕迹。


ExoMars 2022火星车的钻孔。来源:ESA


而与此同时,火星快车号、痕量气体轨道器、好奇号等诸多火星探测器们仍在火星上工作着,还会继续为我们带来更多关于火星生命的证据和线索。


正如我们在上一期《火星探测六十年:一切过往,皆为序章》里所说的:


站在2020年这个时点眺望这颗红色星球,


这可能是人类有史以来火星探索最辉煌和繁盛的时期。


人类在这短短六十年里探测火星所获得的新知,


早已远超过去数千年来对火星认识的全部,


而这不是结束,只是开始——新的探测任务还在继续。


火星上存在(过)生命么?


对于这个魂牵梦萦的旷世之谜,


尽管我们目前还没有答案,


但我们正前所未有地接近答案。


参考文献:

[1] Biemann, K., Oro, J. I. I. I. P. T., Toulmin III, P., Orgel, L. E., Nier, A. O., Anderson, D. M., ... & Biller, J. E. (1977). The search for organic substances and inorganic volatile compounds in the surface of Mars. Journal of Geophysical Research, 82(28), 4641-4658.

[2] Levin, G. V., & Straat, P. A. (1977). Recent results from the Viking labeled release experiment on Mars. Journal of Geophysical Research, 82(28), 4663-4667.

[3] NavarroGonzález, R., Vargas, E., de La Rosa, J., Raga, A. C., & McKay, C. P. (2010). Reanalysis of the Viking results suggests perchlorate and organics at midlatitudes on Mars. Journal of Geophysical Research: Planets, 115(E12).

[4] Guzman, M., McKay, C. P., Quinn, R. C., Szopa, C., Davila, A. F., Navarro‐González, R., & Freissinet, C. (2018). Identification of chlorobenzene in the Viking gas chromatograph‐mass spectrometer data sets: reanalysis of Viking mission data consistent with aromatic organic compounds on Mars. Journal of Geophysical Research: Planets, 123(7), 1674-1683.

[5] Eigenbrode, J. L., Summons, R. E., Steele, A, (2018). Organic matter preserved in 3-billion-year-old mudstones at Gale crater, Mars. Science, 360, 1096-1101.

[6] McKay, D. S., Gibson, E. K., Thomas-Keprta, K.L., Vali, H., Romanek, C. S., Clemett, S. J., ... & Zare, R. N. (1996).Search for past life on Mars: possible relic biogenic activity in Martianmeteorite ALH84001. Science, 273(5277), 924-930.

[7] Jull, A. J. T., Courtney, C., Jeffrey, D. A.,& Beck, J. W. (1998). Isotopic evidence for a terrestrial source of organiccompounds found in Martian meteorites Allan Hills 84001 and Elephant Moraine79001. Science, 279(5349), 366-369.

[8] Bada, J. L., Glavin, D. P., McDonald, G. D., & Becker, L.(1998). A search for endogenous amino acids in Martian meteoriteALH84001. Science, 279(5349), 362-365.

[9] Lin, Y., El Goresy, A., Hu, S., Zhang, J.,Gillet, P., Xu, Y., ... & Xu, L. (2014). NanoSIMS analysis of organiccarbon from the Tissint Martian meteorite: Evidence for the past existence ofsubsurface organicbearing fluids on Mars. Meteoritics & PlanetaryScience, 49(12), 2201-2218.

[10] ESA | Comparing the atmospheres of Mars and Earth

https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2018/04/Comparing_the_atmospheres_of_Mars_and_Earth

[11] Mumma, M. J., Villanueva, G. L., Novak, R. E., Hewagama, T., Bonev, B. P., DiSanti, M. A., ... & Smith, M. D. (2009). Strong release of methane on Mars in northern summer 2003. Science, 323(5917), 1041-1045.

[12] Korablev, O., Vandaele, A. C., Montmessin, F., Fedorova, A. A., Trokhimovskiy, A., Forget, F., ... & Erwin, J. T. (2019). No detection of methane on Mars from early ExoMars Trace Gas Orbiter observations. Nature, 568(7753), 517-520.

[13] ESA | ESA’s Mars orbiters did not see latest Curiosity methane burst

https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Exploration/ExoMars/ESA_s_Mars_orbiters_did_not_see_latest_Curiosity_methane_burst

[14] Giuranna, M., Viscardy, S., Daerden, F., Neary, L., Etiope, G., Oehler, D., ... & Cardesín-Moinelo, A. (2019). Independent confirmation of a methane spike on Mars and a source region east of Gale Crater. Nature Geoscience, 12(5), 326-332.

[15] Key methane measurements at Mars

https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2019/11/Key_methane_measurements_at_Mars

[16] Webster, C. R., Mahaffy, P. R., Atreya, S. K., & Vasavada, A. R. (2018). Background levels of methane in Mars’ atmosphere show strong seasonal variations. Science, 360, 1093-1096.

[17] Mars Express matches methane spike measured by Curiosity

https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2019/04/Mars_Express_matches_methane_spike_measured_by_Curiosity

[18] NASA plans Mars sample-return rover

https://www.nature.com/news/nasa-plans-mars-sample-return-rover-1.15207


本文来自微信公众号:行星事务所(ID:haibaraemily_planets),作者:haibaraemily

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