我们为什么要在光秃秃的火星上寻找生命的起源？
作者：溯鹰
编辑：Steed
银河系的某个角落里，一颗普通的恒星正在向它的八颗行星散播着光与热。放在浩繁的宇宙里，这样的场面或许太过平常；但这颗恒星，却有着几段不太一样的故事：它诞生于46亿年前，此后不久，其第三颗行星上出现了一种名为生命的物质。这种物质有点复杂，对环境的要求也不是一般地苛刻，然而自打出现时起，它们的存在之路便从未中断过一天。几十亿年生命们的“深耕”，让这颗行星从一个荒凉的石块，变成了一个有些喧嚣，但好歹生机勃勃的世界。
熙熙攘攘的亿万生命里，也不乏一些雄心勃勃的群体。他们一方面规划着自己的未来，试图把自己的脚步迈向前所未至的星海；另一方面，却也在不断回溯着历史，试图弄明白自己的起源、自己的来龙去脉。
这颗恒星名为太阳，它的第三颗行星名为地球，而地球上生命中那些雄心勃勃的群体，便是我们人类。
然而，历史二字从来不是一厢情愿的代名词。尽管人类已经掌握了原子核的奥秘，并把一个描述原子核行为的定律[1]用到了地质学里，用它来测定岩石的年龄。但最终，除了把最早生命出现的记录推到38亿年前，再塞进几个略显晦涩的词汇，比如“古海洋环境”、“碳同位素异常”、“生物来源有机质”之外，就没有更多细节了。
原因很简单：越古老的信息，在地球上保留的丰富程度就越差。要知道，从38亿年前一路演化至今的，可不只有生命，我们脚下的地质作用也同样没有停歇过一天。当年生动丰富的太初环境，随着斗转星移，化作了坚硬的磐石；而坚硬的磐石，则随着斗转星移，一点点抹灭在地质运动的翻覆中。据粗略估算，38亿年左右的岩石残片，只有十万分之一（0.00001）保留到了现在。就算是这些好不容易留下来的残片，也经历过多期变质作用的叠加，信息失真度很大。让学者们在这些“地球残卷”里重建生命诞生的细节，说实话，是挺强人所难的。
但好在人类是一个不乏想象力的物种。如果大地注定要掩盖自己的过往，那么就飞出它的引力圈好了。说来令人咂舌：生命起源的详细档案可能并不在地球，而在我们的邻居——火星。
去火星
2018年年初，来自香港大学的约瑟夫‧米哈尔斯基（Joseph R. Michalski）教授及同事在《Nature》地学子刊《Nature Geoscience》上撰文[2]表示：火星在回溯地球早期环境中可能有着不可替代的关键作用。他们呼吁：与其在火星上艰难寻找地外生命存在的痕迹，倒不如去寻找一些有助于我们认识自身起源的环境细节。
地球生命起源的环境证据，怎么会出现在火星呢？
原因很简单：火星，其实可以看做是一个“未曾演化过的地球”。它犹如一个平行世界，孤零零地悬在离我们咫尺之遥的地方，静静等待着怀古之士的到来。
46亿年前，所有行星都产生于围绕太阳旋转的尘埃盘里。行星吸积过程中储存在星体内部的能量，维持着它们早期活跃的地质运动，然后是冰质小天体的密集陨击，为两颗行星带来海洋。在早期太阳系这些“无差别事件”面前，火星和地球大致遵循着一样的演化轨迹。这段时间，两颗行星都有着活跃的内部化学反应、混沌的原始大气、甚至可能都有遍布海洋的热液喷口…… 这些要素，恰恰就是为地球生命演化创造契机的基本环境条件。只不过，由于两颗行星有着不容小觑的体积差异，它们的演化之路，终究还是“星命殊途”了。
地球是太阳系四大岩质行星里个头最大的。最可能的原因是：它当年跟另一颗原行星融合过，不仅撞出了一颗月亮，也大大地加成了自身的体积（据推测，这颗原行星的大小跟火星差不多，所以可以大致认为：现今地球的体积=原始地球+火星-月亮）。在维持环境演化这件事上，巨大的身躯可谓是先天优势。巨大的体积可以保存更多的内热；而更多的内热，则能长时间维持一个熔融态的外核、以及一个会对流的地幔。熔融外核的作用是为星球提供磁场，保护星球表面的大气层不至于被太阳风吹散；而一个会对流的地幔，则是板块运动、火山和地震的直接推手，让内动力地质作用也可以源源不竭。
但是火星就不一样了：它体积很小，冷得很快。从诞生不过几亿年，它就早早地失去了磁场，也失去了地幔的对流。磁场的消失意味着火星表面彻底暴露在太阳风面前，电磁粒子的疯狂扫荡很快把火星大气席卷一空。而对流地幔的消失，则意味着它的内部自此无法孕育活跃的地质运动。大气消失了，大地也冷了，一言以蔽之，在地球上生命诞生的那个时间节点，火星“死了”。
地球和火星有着不容小觑的体积差异，正是这一差异，导致两颗行星走上了不同的演化道路。图片来源：维基百科
活着的难题
可这死了的火星，恰恰就是人们要苦苦追寻的“圣杯”。地表演化停滞，意味着它能够把那个时间节点的环境，凝固成一张固态的“快照”。后世再无任何活跃的地质演化过程能够覆写这个凝固的环境。对人类来说，这张异星的快照，便是补完我们自己早期历史那张最关键的拼图。
而我们可爱的地球——这活着的地球，却早把自己的记忆抹除得支离破碎了。沾了体积巨大的光，它维持着长达46亿年的内动力地质作用，比如板块运动、造山作用、变质作用等。不隔多久，这些地质过程就会把先前形成的地壳搞得乱七八糟：重融的重融、破碎的破碎、变质的变质。而活跃的外动力地质作用，诸如风化、搬运、蚀变，则会把地表的环境信息磨蚀成毫无意义的碎片。更让人觉得讽刺的是：对古老环境的改造中，最后推波助澜的一环不是别人，而恰恰就是我们生命自己。
万物生长靠资源，第一资源则是能量。生命诞生于38亿年，这个时间节点是人们划分冥古宙和太古宙的界碑。跨过了天地混沌的冥古宙，随即而至的太古宙里，早期生命熙熙攘攘地挤在大洋深处的热液口。热液口是地球内部环境和外部环境联通的关卡，也是冰冷黑暗的太古海洋里唯一温暖的“热岛”。在这里，地表与地下两个世界的物质，通过化学反应的方式，频繁地交换着能量。哪儿有“交易”，哪儿就有“人气”。于是，热液口就成了原始生命趋之若鹜的场所。
可生命并不是千秋万代都甘于围在“暖炉”边上取暖的窝囊存在。野心勃勃的它们，在诞生不过8亿年的时间，便盯上了整个恒星系的最终极能源——太阳。距今30亿年左右，生命朝着日光张开了怀抱，光合作用出现了。几乎立刻，光合作用就在地球掀起了一场有史以来最为翻天覆地的变革。
要知道，“仅仅只用沐浴日光便能生存一辈子”，这种活法太先进了。而历史的经验往往是：每当先进与落后并行而立，变革之声也就近在咫尺了。
光合作用的产物之一，是氧气。随着光合生物的增多，地表氧气的含量也在逐渐增大。氧气越来越多，大气层的化学特质就慢慢从还原态转变为氧化态。距今25亿年左右，光合生物们把充斥着甲烷、氨气等还原气体的原始大气，彻底改造成了一片能够反射蔚蓝色泽的氮氧大气。
虽然对于生命演化来说，这事的意义不亚于一场变革，但对于此前几十亿年的太古宙环境，却无疑是一场翻天覆地的灾难：氧气是一种非常活跃的氧化剂，是“氧化作用”之所以得名的气体。当它充盈地表，充盈大气、充盈海洋时，任何一块地球表面的岩石，都要接受它的覆盖、它的拷问、它的洗礼。不是成为斑斑的铁锈，就是成为腐朽的粘土[3]，整个地表环境的更新速率几乎骤升了一个数量级。
氧气要做的还有更多：它们让大气层的顶端凭空诞生一个新的单元——臭氧层。有了臭氧层的保护，生命再也不用窝在海里拼命躲避紫外辐射了。它们向大陆板块吹响了进军的号角，尽管宏观生物的登陆要到很久以后的显生宙才会发生，但微生物中的先驱者，已然于此时开始“感染”进了大陆岩石的热液系统，从而让生物风化作用也登上了地质历史的舞台。就这样，活着的我们，成为了追寻自身记忆的最大阻碍者。
火星或许有一天会重新变成一颗温暖湿润的蓝色星球，不过在这之前，我们很可能会在那里找到地球上生命起源的详细地质档案。图片来源：wired.com
活着带来的难题，自然要用活着来解决。大氧化时代的蓝菌不会知道，20亿年后直角石的游弋是何等地壮观[4]。同样，奥陶纪这些长着巨角的海螺也不会知道，3亿年后始祖鸟的第一次振翅是何等地绚烂[5]。当火山的尘霾窒息了大地，当星陨的灼浪遮蔽了日光，当所有这些物种成为岩石里冰冷的记忆，剩下的幸存者，依然用活着作为唯一的回答。只要生存之路能延续下去，这个星球的奇迹就会一直扩张。从海洋到陆地，从陆地到天空，从天空到月面，再然后，则是赤红如火的邻星。
甚至终有一天，火星也会成为身后的景色。更多的世界，会浮现在火星地平线的远方。欧罗巴的冰层、泰坦的风声、恩克拉多斯的地底之海…… 直至走出太阳神殿，走向那横贯永夜的星河[6]。
38亿年之后，生命迈出了这样小小的一步：它们明白了自己的未来在宇宙；它们的起源之地，也在宇宙；而故事的结尾是：它们还将继续演化。
参考文献及注释：
即卢瑟福-索迪定律。
Michalski et al. 2018, The Martian subsurface as a potential window into the origin of life. Nature Geoscience, 11: 21-26, doi: 10.1038/s41561-017-0015-2
斑斑的铁锈，即赤铁矿(Fe2O3)和磁铁矿(Fe3O4)。以它们为成分主体的条带状含铁建造（Band Iron Formation），是大氧化事件的关键沉积地球化学证据。
直角石，Genus Orthoceras，头足纲下列的一个属，已灭绝。其锥状长角可达数米之长，是奥陶纪海洋里的顶级掠食者。
始祖鸟，Genus Archaeopteryx，蜥臀目恐龙下列的一个属，已灭绝。是恐龙向鸟类过渡的代表性生物门类。
泰坦(土卫六)有着浓厚的甲烷大气，是早期地球环境较佳的模拟。降落在泰坦表面的惠更斯号探测器曾经录制过它的风声，传回地球。欧罗巴(木卫二)、恩克拉多斯(土卫二)是太阳系的冰质大卫星，其冰层之下可能有着液态的原始海洋。如果说火星表面是太初环境的凝固记忆，那么欧、恩、泰三星，很可能就是“活着的”的早期生命起源环境。
排版：晓岚
科学人问答
欢迎个人转发到朋友圈
本文来自果壳网
转载请联系授权: sns@guokr.com
投稿请联系scientificguokr@163.com
果壳
科学人
从论文到科普，只有一步
我在想，你什么时候戳下面的赞👇
【拓展阅读】Science：科学家在火星发现了“深井冰”！