《科学》杂志：好奇号发现火星远古有机物，我们离发现生命还有多远？

出品：科普中国

制作：haibaraemily

监制：中国科学院计算机网络信息中心

太长不看版：

地球之外的其他天体上存在生命吗？

我们在宇宙中孤独吗？

自人类开始探索宇宙以来，探索生命的痕迹就是我们孜孜以求的重要目标之一。外星人和外星生物，一直是大量科幻小说的主题。

人们曾经想象月亮里居住着嫦娥玉兔，想象地球上看不见的月球背面有外星人的基地；

人们曾经想象和地球大小质量差不多，距离太阳距离也差不多的金星一定有着非常适宜生命居住的环境；

人们曾经想象火星上有高等生命修建的遍布全球的河道，可以灌溉整个火星……

然而，这些幻想在探测器时代来临之后都一一破灭了。

至少，在人类目前的探测范围内，并没有找到像我们一样的高等智慧生命。

那么如果只是生命呢？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三十五亿年以上了。

太阳系中还有其他星球上有生命存在吗？

很不幸，人类目前只能局限于自己对碳基生命的认知。于是人类把对“生命”这种形态的探索，浓缩为了对液态水和有机物的搜寻。

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，这是很有可能的。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——那么，如果在35亿年前的地球上诞生了微生物，为什么同样气候适宜的火星不会呢？

1、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四件专门用于搜寻火星上的有机物的科学仪器：气相色谱-质谱仪（GC-MS）、气体交换实验仪（GEX）、热解释放实验仪（PR）和标记释放实验仪（LR）。

海盗1号和2号用于探测有机物的科学仪器。来源：NASA

然而，气相色谱-质谱仪（GC-MS）、气体交换实验仪（GEX）和热解释放实验仪（PR）在搜寻了火星土壤和大气之后一无所获。这并不令人意外，毕竟火星没有臭氧层，剧烈的紫外辐射应当会消灭表面所有的有机物。

但标记释放实验仪（LR）似乎探测到了一些有机物的代谢产物，虽然这个结果并没有被广泛采信，因为GC-MS和GEX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。也就是说，这些产物很可能仅仅是无机物被火星土壤氧化产生的。

不过，也有一些科学家认为，之所以GC-MS没有探测到有机物，是因为LR可以探测到极其微量的产物而GC-MS没有这么敏感；还有一些科学家认为，没有检测到土壤中的有机物正是因为这些有机物被高氯酸盐之类的强氧化剂分解了，证据是后来对海盗号样本的重新分析中探测到了氯甲烷和二氯甲烷，这是有机物被高氯酸盐分解的常见副产品(Navarro‐Gonzálezet al., 2010) ，但这些氯甲烷含量太过微弱，似乎也不足以采信。

2、火星陨石的线索

但即使火星表面没有有机物存在，地下有没有呢？虽然那时候的我们尚没有去火星掘地三尺的能力，但来自火星的陨石似乎可以给出一点线索。

火星陨石中似乎也有发现过有机物甚至微生物的痕迹，例如发现于南极的ALH84001陨石(McKay et al., 1996; Jull et al., 1998; Bada et al., 1998)，但这颗古老的陨石已经在地球上静静沉睡了一万多年了，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寻找到的火星陨石，可以认为是几乎没有受到地球“污染”的。有研究在Tissint陨石里发现了生油母质这种大分子复杂有机物和较低的¹³C同位素的含量比例，这些都很可能是生物作用引起的(Lin et al., 2014)。但这种因果关系毕竟不是唯一的，还有其他一些非生物的地质作用也可能产生类似的结果。

（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：Lin et al. (2014)

总之，不管是海盗号的实地探测结果，还是火星陨石的分析，都没有给出明确的结论，反而留下了更多争议。

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。

3、希望之星好奇号

然而，火星毕竟还是人类的希望之地，毕竟海盗号是当时人类第一/二艘成功着陆火星并进行科学探测的探测器，在苏联的几次迷之着陆失败的阴影之下，安全着陆才是第一要务，对着陆点是不是肥沃丰饶的有机物富集地就没那么高要求了。

也就不难理解，当2012年8月，好奇号火星车着陆在了火星赤道附近一个叫做盖尔环形山的陨石坑中时，地球上的人们有多么兴奋——这个洼地形成于约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——这里被认为是很可能发现古老有机物甚至生命痕迹的风水宝地。

而且，好奇号火星车要厉害得多。它是个打钻小能手，不再局限于火星表层的物质，而是可以通过打钻来测量火星表层以下几厘米深处埋藏的物质。好奇号还带来了更先进的测量仪器：它携带了一套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证据。

NASA于2012年11月底发出的辟谣声明。来源：NASA

不过，好奇号也确实探测到过一些简单有机物，除了火星大气中常见的甲烷之外，还在火星一处叫做Cumberland的泥岩（好奇号在2013年5月经过）中探测到过含有2到4个碳原子的二氯烷烃甚至含有6个碳原子的氯苯(Freissinetet al., 2015)，但这些有机物的含量也不高，偶有发现的更复杂一点、含碳数目更高的有机物含量就更低了。

而含量更高、更确凿的有机物富集地，之前一直没有发现。

6月8日，《科学》杂志发表两篇论文，通过好奇号火星车五年多来收集的探测数据，给出了更加确凿的有机物存在和变化的证据(Eigenbrodeet al., 2018; Webster et al., 2018)。

4、噻吩类、芳香族和脂肪族有机物的确凿证据

虽然NASA刚刚修好了自2016年12月起就不能打洞了的钻孔，并又成功完成了一次钻孔采样，但这次的结果却和最近那次采样没有一点儿关系——这次是从2014年9月（Confidence Hills）和2015年1月（Mojave）的两次钻孔采样中发现这些有机物的。两处钻孔采样的Confidence Hills和Mojave泥岩都位于穆雷构造一带，这一区域富含河流三角洲沉积物，更可能有丰富的有机物，也更可能较好地保存古老的有机物。

本次从Confidence Hills和Mojave两处泥岩中发现了丰富的噻吩、芳香族和脂肪族有机物，之前在Cumberland也发现过少量二氯烷烃和氯苯。修改自：NASA

在加热到500-820℃后，逸出气体分析（EGA）显示出Confidence Hills和Mojave样本的热分解产物中含有多种噻吩（C₄H₄S）类和其他芳香族、脂肪族有机物，更重要的是，本次探测到的有机物总量是之前探测到的一百倍以上。

噻吩的结构。来源：NASA

SAM的逸出气体分析（EGA）显示的Mojave样本的热分解产物，含有多种噻吩类和其他芳香族、脂肪族有机物。来源：Eigenbrodeet al. (2018)

气相色谱-质谱仪（GC-QMS）的进一步分析结果再次确认了ConfidenceHills和Mojave两处泥岩样品中含有多种噻吩（C₄H₄S）类有机物，含量显著高于作为对比组的Cumberland样本。

SAM气相色谱-质谱仪（GC-QMS）显示的Mojave样本的热分解产物，含有多种噻吩类有机物，而作为对比组的Cumberland样本中则几乎没有。改编自：Eigenbrodeet al. (2018)

要知道，好奇号的SAM并不能直接探测有机分子的成分，而是必须通过高温气化，复杂的长链有机物会在这一过程中发生分解，也就是说，可以相信，实际的有机物成分应当比探测到的碳链更长、更为复杂。EGA的分析显示样本的热分解产物中似乎还有含氮和含氧有机物，表明样本中甚至可能有含氨基、羧基、羰基等基团的复杂有机物。

为什么在穆雷构造一带发现了远高于之前Cumberland一带的有机物含量？可能的解释有很多，比如其他区域的有机物本身就更匮乏；或者这里的有机物暴露出来的时间更短，受到的破坏更少；也可能是这里的环境酸性程度不强，有机物不容易被氧化……但有机物的硫化可能是最主要的原因，因为本次研究区域的总体硫含量是之前火星其他泥岩样本中的3-10倍。这一硫化过程可能发生于30多亿年前火星早期的成岩作用时期，而硫化之后的有机物会变得更耐分解。

但这些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的微生物甚至更高等的生物参与形成的物质，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，以各种形式的残骸保留下来，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，例如火山作用或者水热反应，也一样可能形成类似的有机物，而另一种可能性，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有如此丰富的有机物存在，这最起码表明即使在如此严酷的环境下，火星上也有大量有机物存在。

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

不过，本期《科学》杂志的另一篇论文，关于火星大气中甲烷含量的跟踪测量，似乎给出了一点希望。

5、火星背景甲烷的季节性变化

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。只不过，这些甲烷的含量变化莫测，似乎完全没有规律可循。

直到这次，好奇号通过长达五年多的跟踪观测，加上更精密的测量方法，才终于找到了火星甲烷的变化规律。

好奇号对火星甲烷含量的观测通过火星样本分析仪SAM中的激光光谱仪（TLS）来完成。为了提高观测的可靠性，好奇号这次采用了一种叫做enrichment ingest的方法，这种方法可以更有效地滤掉二氧化碳和水蒸气的干扰，相比于之前的direct ingest方法，测量不确定性被大大降低了。

测量结果在跨度达3个火星年（约6个地球年）期间显示出明显的季节变化，甲烷含量在夏秋之际达到最大，而之前和之后都显著减小。

火星大气中背景甲烷含量，不同的颜色表示来自不同火星年（1个火星年约等于2个地球年）的观测数据，ppbv表示体积的十亿分之一。来源：Webster etal. (2018)

另一方面，这次的测量值整体变化幅度显著小于之前的观测值，可以认为这次的测量结果体现了火星大气中甲烷原本的变化规律，也就是所谓的背景甲烷含量，或者本底值，而之前观测到的无规律的甲烷含量变化，可能是由于区域性的甲烷爆发引起的偶发性异常尖峰。

方块表示的是direct ingest方法测量的火星大气中甲烷含量，不同的颜色表示来自不同火星年的观测数据，明显可以看到这些测量数据误差更大，变化幅度也更大，而且没有任何的季节性变化规律，这可能是由于区域性的甲烷爆发引起的偶发性异常尖峰而不是火星本身的甲烷变化。来源：Websteret al. (2018)。

那么火星的背景甲烷含量的周期性变化是由什么引起的？文章通过理论计算排除了表面气压的年际变化变化和撞击带来的有机物影响，认为可能和大气中的水蒸气或者与表面温度有关的一些过程有关。这种过程的可能是地质作用引起的，例如地下的裂隙或者岩石中贮藏的有机物，但生物作用也是可能的原因，事实上，地球上大部分甲烷都是生命活动生成的。

不过，在证据确凿之前，我们依然不能草率地下断言。 

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好奇号对火星生命的探索还远远没有停止。在过去的六年里，好奇号行走在这片古河床中：从黄刀湾、帕朗山、柏瑞哲盆地、穆雷孤峰行至薇拉·鲁宾山脊…事实上，这次对钻孔采样的分析才只用到了前三年的测量结果而已，在那之后，好奇号还经过了更多可能富含有机物的地方。接下来，它还继续向这场探险之旅最重要的目的地——高达5000米的夏普峰攀登。

好奇号在盖尔环形山中的行进路线。盖尔环形山的中央峰夏普山（Mount Sharp，后被正式命名为伊奥利亚山Aeolis Mons），是好奇号的目的地。(Voosen, 2017)

而好奇号的继任们，NASA的Mars2020和欧空局的ExoMars火星车已经整装待发，静候下一个火星发射窗口。

不管是对火星上的液态水和有机物痕迹、木卫二和土卫二的冰下海洋的探索，或者是让旅行者号携带着写满生命讯息的星际唱片，还是对系外行星中宜居行星的搜寻……人类渴望在茫茫宇宙中寻找同类。

地球之外的其他天体上存在生命吗？

我们在宇宙中孤独吗？

至少，人类始终在坚守着，

不断压制住内心的狂喜和冲动，

一次次拨开幻想与假象的重重迷雾，

一次次用谨慎的态度去探索、质疑和否定。

以科学与理性的名义。

拓展阅读：

致谢

本文感谢我亲爱的审稿群小伙伴们~

关于作者：灰原哀博士（haibaraemily），从事行星科学研究。更多精彩，欢迎关注公众号~

参考文献

• https://en.m.wikipedia.org/wiki/Viking_lander_biological_experiments

• 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. 
  

• 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.

• 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.

• 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.

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• Freissinet, C., Glavin, D. P., Mahaffy, P. R.,Miller, K. E., Eigenbrode, J. L., Summons, R. E., ... & Franz, H. B.(2015). Organic molecules in the sheepbed mudstone, gale crater, mars. Journalof Geophysical Research: Planets, 120(3), 495-514.

• Voosen, P. (2017). Mars rover steps up hunt formolecular signs of life. Science, 355(6324), 444-445.

• 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 organic‐bearing fluids on Mars. Meteoritics & PlanetaryScience, 49(12), 2201-2218.

• https://www.lpi.usra.edu/lpi/meteorites/The_Meteorite.shtml

• https://www.space.com/40823-life-on-mars-organic-methane.html?utm_source=notification

• https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7154

• https://www.jpl.nasa.gov/spaceimages/details.php?id=PIA22328

• http://www.planetary.org/blogs/emily-lakdawalla/2012/curiosity-instrument-sam.html

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