“好奇號(hào)”在火星上的新發(fā)現(xiàn)

苗千

2018年6月8日，美國(guó)航空航天局（NASA）戈達(dá)德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）的科學(xué)家們?cè)凇犊茖W(xué)》雜志一連發(fā)表兩篇論文，報(bào)告“好奇號(hào)”在火星探測(cè)所取得的最新發(fā)現(xiàn)。這兩篇論文瞬間引起了全世界的關(guān)注和討論，因?yàn)檫@些最新發(fā)現(xiàn)都與探測(cè)火星上可能存在的遠(yuǎn)古生命痕跡有關(guān)系。雖然還算不上是證實(shí)在火星上曾經(jīng)存在過(guò)生命現(xiàn)象的決定性發(fā)現(xiàn)，但這些突破已足以顯示出科學(xué)家們正走在一條正確的道路上，這將使人類(lèi)繼續(xù)探索火星生命痕跡的決心更堅(jiān)定。

左圖：在火星表面已經(jīng)存在35億至38億年的“蓋爾撞擊坑”右圖：“好奇號(hào)”在火星表面工作演示圖

令人迷惑的甲烷含量變化

在《科學(xué)》雜志上發(fā)表的兩篇論文之一，名為《火星大氣層中的甲烷含量顯示出很強(qiáng)的季節(jié)性變化》（Background levels of methane in Mars'atmosphere show strong seasonal variations）。從論文題目就可以看出這個(gè)發(fā)現(xiàn)的獨(dú)特之處，這是科學(xué)家們第一次在火星大氣中發(fā)現(xiàn)可重復(fù)的周期性現(xiàn)象，而且由于甲烷氣體的特殊性，這個(gè)發(fā)現(xiàn)難免讓人產(chǎn)生聯(lián)想，是否在火星上存在有某種尚未被發(fā)現(xiàn)的微生物，隨著季節(jié)變化周期性地排放出甲烷？

因?yàn)橐粋€(gè)火星年的時(shí)間幾乎相當(dāng)于兩個(gè)地球年（一個(gè)火星年大約為687個(gè)地球日），想要發(fā)現(xiàn)火星大氣中甲烷含量的周期性變化，首先就需要“好奇號(hào)”擁有在火星表面進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間工作的能力。在將近三個(gè)火星年的時(shí)間里，“好奇號(hào)”利用自身所攜帶的火星樣本分析（Sample Analysis at Mars）儀器持續(xù)探測(cè)火星大氣層中各種物質(zhì)的含量，終于發(fā)現(xiàn)在火星的夏天，大氣甲烷的含量是在冬天里的三倍左右。盡管其是否來(lái)自于生命活動(dòng)尚未可知，但是這種周期性的變化已經(jīng)展示出了火星活動(dòng)的某種內(nèi)在規(guī)律。

從地球的情況來(lái)作比較，甲烷與生命現(xiàn)象的聯(lián)系非常密切，地球大氣的甲烷大多就是在缺少氧氣的環(huán)境中由“產(chǎn)甲烷菌”產(chǎn)生并且排放出來(lái)的。盡管如此，發(fā)現(xiàn)火星大氣中甲烷含量的周期性變化卻也還不能說(shuō)明在火星也存在著與地球類(lèi)似的產(chǎn)甲烷菌?？茖W(xué)家們推測(cè)，這種周期性的現(xiàn)象，可能是因?yàn)樵诨鹦堑南奶鞖鉁厣?，地表下的蓄水層發(fā)生融化，因而火星土壤中液態(tài)水與巖石發(fā)生相互作用，產(chǎn)生出了甲烷進(jìn)入火星大氣。還有一種可能，這些甲烷是在遠(yuǎn)古產(chǎn)生出來(lái)，隨后被封凍在了火星土壤中，隨著土壤季節(jié)性的融化，甲烷氣體再被逐漸釋放到大氣中。

當(dāng)然，除去這些可能性最高的原因之外，也不能否認(rèn)還有一種可能，就是在火星的土壤之中存在著一些與地球相似的產(chǎn)甲烷菌，它們會(huì)在惡劣的火星氣候中沉睡，只有到了夏天才會(huì)蘇醒，進(jìn)行一些必要的生命活動(dòng)，排出甲烷。

30多億年前的有機(jī)物

另一篇論文《火星蓋爾撞擊坑的泥巖中保存了30億年前的有機(jī)物》（Organic matter preserved in 3-billion-year-old mudstones at Gale crater，Mars），報(bào)告了“好奇號(hào)”一個(gè)更讓人吃驚的發(fā)現(xiàn)。即使先不去考慮這個(gè)發(fā)現(xiàn)的科學(xué)意義，單從題目來(lái)看，已經(jīng)展示了一個(gè)自然界奇跡與一個(gè)工程學(xué)奇跡的結(jié)合。

火星的年齡與地球類(lèi)似，都是46億年左右。在形成早期，這兩顆行星的自然環(huán)境也有類(lèi)似之處?？茖W(xué)家們通過(guò)“好奇號(hào)”發(fā)現(xiàn)，在形成十幾億年之后，在火星的表面產(chǎn)生出了構(gòu)成生命最基本的結(jié)構(gòu)——有機(jī)物，而且這些物質(zhì)居然在火星逐漸變得嚴(yán)酷的自然環(huán)境中被保存了下來(lái)，可以說(shuō)這是一個(gè)自然界的奇跡。在30多億年之后，來(lái)自另一個(gè)行星的探測(cè)器，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途旅行之后到達(dá)火星，從巖石中發(fā)現(xiàn)了這些有機(jī)物，從而讓人有機(jī)會(huì)重建火星幾十億年間的歷史，這又堪稱(chēng)一個(gè)人類(lèi)工程學(xué)的奇跡。這兩個(gè)奇跡結(jié)合在一起，成就了一個(gè)重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。但人們最關(guān)心的問(wèn)題，仍舊是能否在火星上真正發(fā)現(xiàn)生命存在過(guò)的痕跡。

“好奇號(hào)”此前在2015年進(jìn)行過(guò)一次對(duì)火星巖石樣本成分的檢測(cè)，曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)過(guò)有機(jī)物的痕跡，但是人們懷疑那次檢測(cè)受到了污染，結(jié)果并不可信。相比于以往，“好奇號(hào)”這次檢測(cè)的結(jié)果更為可信，也更合理。雖然現(xiàn)在火星的氣候條件十分惡劣，但是有證據(jù)顯示，在幾十億年前火星表面上曾經(jīng)存在液態(tài)水。“好奇號(hào)”現(xiàn)在所在的位置就曾經(jīng)是一個(gè)大湖的湖底，而湖底的沉積物經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的時(shí)間，逐漸轉(zhuǎn)化為“泥巖”（mudstone）。科學(xué)家們?cè)?jīng)推測(cè)，在泥巖中最有可能發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)古火星生命的痕跡。

為了尋找有機(jī)物的痕跡，“好奇號(hào)”在蓋爾撞擊坑內(nèi)部的四個(gè)區(qū)域鉆孔，提取巖石樣本進(jìn)行檢測(cè)。在提取到巖石巖本之后，它利用火星樣本分析儀器，把碎末狀的巖石樣本在它攜帶的烤箱中加熱到500～800攝氏度，使樣本中的一些物質(zhì)蒸發(fā)，隨后檢驗(yàn)這些被蒸發(fā)物質(zhì)的分子量。從檢測(cè)結(jié)果可以看出，被加熱的巖石樣本中含有少量的小有機(jī)分子，還探測(cè)到了硫元素的存在。

有機(jī)物是含有碳元素和氫元素的化合物，這些特殊的化學(xué)物質(zhì)是構(gòu)成生命形式最基本的結(jié)構(gòu)，因此可以說(shuō)它們的存在與生命現(xiàn)象緊密相連。在火星巖石樣本中發(fā)現(xiàn)了30多億年前形成的有機(jī)物的痕跡，雖然不能說(shuō)就是火星上曾經(jīng)存在過(guò)生命現(xiàn)象的證據(jù)，但已經(jīng)可以為人們提供足夠的線(xiàn)索。目前的問(wèn)題在于，在一些沒(méi)有生命現(xiàn)象參與的化學(xué)過(guò)程中，也有可能產(chǎn)生出有機(jī)物，那么“好奇號(hào)”所發(fā)現(xiàn)的有機(jī)物的痕跡，究竟是來(lái)自于非生命現(xiàn)象，還是生命現(xiàn)象？或者說(shuō)這些殘存的有機(jī)物，究竟是30多億年前火星生物所殘留的部分，還是當(dāng)時(shí)火星生物維持生命所需的食物？

以“好奇號(hào)”目前的實(shí)驗(yàn)條件還無(wú)法檢測(cè)出這些被保存了30多億年時(shí)間的有機(jī)物的具體成分和來(lái)源，但是這個(gè)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)可以證明，有機(jī)物可以在如此嚴(yán)酷的自然環(huán)境中被保存數(shù)十億年的時(shí)間，這就已經(jīng)給地球上的科學(xué)家們帶來(lái)莫大的動(dòng)力。另一方面，能夠做出這樣的重大發(fā)現(xiàn)，也是因?yàn)椤昂闷嫣?hào)”選取了一個(gè)絕佳的探測(cè)環(huán)境。在火星氣候還沒(méi)有變得極為惡劣的時(shí)候，一個(gè)大湖的湖底自然是產(chǎn)生和保存有機(jī)物的絕佳環(huán)境，而后這些有機(jī)物又被湖底的沉積物所吸收和保存了數(shù)十億年，使其免遭紫外線(xiàn)的襲擊。

科學(xué)家們估計(jì)，這些被探測(cè)到的有機(jī)物中可能存在由碳原子組成的環(huán)狀或是鏈狀結(jié)構(gòu)，但是通過(guò)高溫蒸發(fā)的探測(cè)方法也只能檢測(cè)到一些結(jié)構(gòu)不明的小分子有機(jī)物，唯一明確的只有一種含量較大的名為“噻吩”的含有硫元素的分子。相比之下，大分子有機(jī)物不容易被蒸發(fā)，而且在加熱過(guò)程中也可能會(huì)被分解為小分子結(jié)構(gòu)，因此想要進(jìn)行更精確的探測(cè)，人們就需要挖得更深，透過(guò)火星的表面深入到土壤之中，并且把取到的樣本送回地球進(jìn)行分析。而這樣的探測(cè)項(xiàng)目，無(wú)論是在技術(shù)上還是在財(cái)政方面，都將是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

“好奇號(hào)”在火星泥巖中發(fā)現(xiàn)的有機(jī)物，雖然其來(lái)歷還不清楚，但是它在分別兩處采樣的樣本檢測(cè)中，都發(fā)現(xiàn)了與地球地殼中的腐泥型“油母質(zhì)”（kerogen）非常相似的化學(xué)物質(zhì)。在地球環(huán)境中，腐泥型油母質(zhì)主要是由地質(zhì)壓力對(duì)古老的藻類(lèi)進(jìn)行擠壓所產(chǎn)生——這就難免讓人聯(lián)想，火星巖石中的有機(jī)物是否也是在類(lèi)似的環(huán)境中產(chǎn)生出來(lái)的。

但僅憑這一點(diǎn)仍然無(wú)法證明在火星上曾經(jīng)存在生命現(xiàn)象，因?yàn)榛鹦呛吞?yáng)系內(nèi)部的其他行星一樣，都持續(xù)受到來(lái)自隕石和小行星的襲擊。正是因?yàn)槿绱?，“好奇?hào)”所檢測(cè)的樣本也有可能是來(lái)自于太陽(yáng)系內(nèi)一些富含碳元素的落在火星表面的隕石。另外也有可能是在遠(yuǎn)古時(shí)代因?yàn)榛鹦堑幕鹕絿姲l(fā)，在特殊條件下形成了這些與地球構(gòu)成類(lèi)似的有機(jī)物。

在“好奇號(hào)”之后

無(wú)論如何，人們已經(jīng)通過(guò)“好奇號(hào)”的工作證明，在幾十億年前，火星的表面有著適合生命存在的自然條件，也有讓生命形成的化合物，以及生命活動(dòng)所需的能量來(lái)源。至于在火星上是否曾經(jīng)存在過(guò)生命現(xiàn)象，甚至于目前在火星的土壤中是否存在著生命現(xiàn)象，這些問(wèn)題都還需要進(jìn)一步的探索，而這可能已經(jīng)超出了“好奇號(hào)”的能力，需要下一代的火星探測(cè)計(jì)劃來(lái)完成。

在“好奇號(hào)”之前，于2008年登陸火星的“鳳凰號(hào)”火星探測(cè)器（Phenix Mars Lander）降落在火星的北極區(qū)域。在它對(duì)火星表面土壤和巖石樣本進(jìn)行探測(cè)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了大量的高氯酸鹽（perchlorate salts）。這種含氯化合物在紫外線(xiàn)和宇宙射線(xiàn)的配合下，非常容易破壞在火星表面的有機(jī)物結(jié)構(gòu)，讓前來(lái)尋找生命痕跡的探測(cè)器一無(wú)所獲。正是因?yàn)槿绱?，有科學(xué)家懷疑，大量的有機(jī)物，包括可能存在過(guò)的火星生命所留下的痕跡，可能都被保存在火星的地表以下——想要找到它們，就需要更深的挖掘。

美國(guó)航空航天局正在建造的下一代火星探測(cè)器——“火星2020漫游者”（Mars 2020 Rover）將是人類(lèi)探測(cè)火星的新希望。按照計(jì)劃，這個(gè)新一代的探測(cè)器將在2020年的七八月份，在地球與火星的相對(duì)位置恰好合適時(shí)發(fā)射升空，在2021年2月登陸火星。相比于諸多前任，它將配有一個(gè)特殊的鉆頭，足以提取更深處的巖石樣本。目前人們計(jì)劃“火星2020漫游者”將提取30個(gè)巖石核心的樣本，并且還要把取得的樣本送回到地球，讓科學(xué)家們有機(jī)會(huì)在更好的條件下檢測(cè)火星巖石的成分。

在設(shè)計(jì)上，雖然“火星2020漫游者”主要參考“好奇號(hào)”，但因?yàn)閷⒉捎眯碌摹斑M(jìn)入，下降，和著陸”（entry，descent，and landing）技術(shù)，它的體積將會(huì)更大，也就能攜帶更多的探測(cè)設(shè)備。按照計(jì)劃，它將至少在火星工作一個(gè)火星年的時(shí)間。除了尋找火星上可能存在的生命痕跡，它還將探測(cè)火星的地質(zhì)信息，收集火星的氣象信息，這些工作都是為了人類(lèi)宇航員在未來(lái)登陸火星做準(zhǔn)備。不僅如此，“火星2020漫游者”還將實(shí)驗(yàn)一項(xiàng)新技術(shù)，嘗試在96%的成分都是二氧化碳的火星大氣中提取氧氣，這也將是人類(lèi)宇航員在火星進(jìn)行工作的關(guān)鍵之處。

與此同時(shí)，歐洲空間局（ESA）也準(zhǔn)備在2020年發(fā)射火星探測(cè)器“ExoMars Rover”，在2021年登陸火星，探測(cè)火星的生命信息。這個(gè)火星探測(cè)器將主要攜帶一個(gè)“火星有機(jī)分子分析器”（MOMA-Mars Organics Molecule Analyser），專(zhuān)門(mén)用來(lái)分析火星土壤和大氣中的分子結(jié)構(gòu)。

在“好奇號(hào)”的最新發(fā)現(xiàn)帶給人驚喜、希望和無(wú)窮想象的同時(shí)，當(dāng)然也有人對(duì)此持懷疑態(tài)度。有科學(xué)家認(rèn)為，火星表面的有機(jī)物分子，也有可能是來(lái)自不斷轟擊火星的隕石和灰塵，并非產(chǎn)自火星本地。而所謂火星大氣中甲烷含量隨著季節(jié)變化，其變化的速度與火星的季節(jié)轉(zhuǎn)變并沒(méi)有完全契合，也可能存在著其他原因。根據(jù)目前人類(lèi)已經(jīng)獲得的所有探測(cè)結(jié)果來(lái)推測(cè)，只能說(shuō)明在火星上從來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)任何生命。

根據(jù)目前的探測(cè)結(jié)果，一切尚未有定論，在科學(xué)界自然會(huì)眾說(shuō)紛紜，而對(duì)于每一項(xiàng)數(shù)據(jù)的解讀可能也都會(huì)伴隨著科學(xué)家們的希望和想象。但隨著人類(lèi)進(jìn)行火星探測(cè)不斷取得新的進(jìn)展，或許用不了太久，人類(lèi)就可以在地球上分析火星的巖石樣本，也會(huì)有人類(lèi)宇航員踏足火星進(jìn)行實(shí)地考察。

不論火星在幾十億年的時(shí)間里是否曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)生命現(xiàn)象，現(xiàn)在生活在地球上的人類(lèi)施展自己的才能，花費(fèi)無(wú)數(shù)的時(shí)間、精力和金錢(qián)，冒著重重危險(xiǎn)，跨越茫茫的宇宙空間探索火星，只是為了尋找其他可能存在的生命形式，這本身就是生命所創(chuàng)造的宇宙奇跡。

（本文寫(xiě)作參考了美國(guó)航空航天局網(wǎng)站、歐洲空間局網(wǎng)站和《自然》雜志的相關(guān)內(nèi)容）