从海盗号到好奇号:火星生命探索争论简史

[ 录入者:zhangms | 时间:2018-02-24 10:09:04 | 作者:任天 | 来源:新浪科技 | 浏览:1322次 ]

新浪科技讯 北京时间2月24日消息,据国外媒体报道,1976年7月的一天,午夜过后,在美国加州帕萨迪纳市一个闷热的房间里,海盗号火星勘测计划(Viking Mars)的团队成员围坐在一台庞大的电脑显示器旁边,紧张地等待着世界上第一台成功发射的火星勘测着陆器传来首批数据。这是有史以来第一台专门设计来探测生命的火星着陆器。接下来几个星期里,海盗号的首批生命探测实验传回了令人震惊的结果。这些数据清楚地显示,当有机化合物添加到火星土壤中时会释放出二氧化碳,而不是混合物被超高温加热的时候。这是生命存在的迹象,而且与发生在地球上的实验结果相同。当把水添加到火星土壤中时,还会释放出氧气,就像在地球上一样。这台远离地球的探测器,在头两个实验中就发现了生命可能存在的迹象。第三个实验是加热土壤,就像在烤箱里加热食物一样,实验结果有好有坏。

随着第四个实验的矛盾数据传回,争议变得越来越大。宣称火星上存在生命将具有前所未有的意义。如果这些数据错了,相信没有一名团队成员能够接受。然而,世界上大多数人并不知道,在海盗号着陆器的4个实验中,有3个实验的结果可以被解读为阳性的微生物检测结果,与地球上被检测数千次的结果一样。研究者帕特里夏·斯特拉特(Patricia Straat)对另一位任务参与者吉尔·莱文(Gil Levin)说:“那就是生命!”

火星上是否存在微生物生命依然是一个谜

第四个实验采用了一台气相色谱仪——与詹姆斯·洛夫洛克(James Lovelock,英国独立科学家、环保主义者和未来学家)使用的是同类仪器——和一台质谱仪,用来精密测量分子的大小。结果发现,火星上不仅没有生命,而且完全没有发现有机物的存在。这是个令人震惊的结果,因为宇宙空间中到处都有有机物,从小行星、彗星、陨石到星际尘埃。不仅如此,该实验还指出,火星表面是有毒的,或者说能杀灭微生物。海盗号任务的科学家产生了激烈的争论,而美国航空航天局(NASA)最终决定以谨慎的方式进行解释。他们的结论是,由于火星土壤中含有的强氧化剂,使火星表面能“自我消毒”,并且使其呈现出红色。海盗号发现了一个荒凉而狂风大作的红色星球,上面布满了陨石坑,像月球一样寒冷和死寂。

少数参与任务的科学家反对这一结论,他们认为第四个实验只是失败了而已,在地球上也经常出现这种情况。包括吉尔·莱文在内的一群活跃人士,不断写信和演讲,敦促NASA公布全部的海盗号数据。在2016年NASA庆祝该任务40周年的活动上,莱文重申了这一呼吁。他预测好奇号(Curiosity)火星车会找到更复杂的有机物,事实也确实如此。当看到好奇号探测到甲烷爆发时,莱文指出,甲烷的消失发生得太快了,不可能是紫外辐射引起,“这种消失可能是由甲烷氧化菌引起的,它们能利用甲烷,并形成一个完美的小型生态循环。”

火星地表遍布沙丘和砾石,没有稳定的液态水

其他火星探测器也给出了矛盾的结果。NASA在21世纪初开始了机遇号(Opportunity)和勇气号(Spirit)火星车任务,这两个探测器传回的报告令世界各地数以百万计的人感到兴奋。不过,两辆火星车都是由地质学家设计和建造,与生物学家无关。2008年,凤凰号(Phoenix)着陆器第一次传回了火星上有水存在的证据。该探测器的相机捕捉到了水滴在寒冷的钢制着陆脚架上凝结的清晰画面。模拟结果给出了两种可能,一是被风吹过来的高氯酸钙颗粒周围有水凝结,这种盐型矿物具有能从大气中撷取水分的特性;二是探测器登陆时搅动了火星表面下的脏冰,水冰在脚架上融化并形成水滴。参与该任务的密歇根大学科学家尼尔顿·伦诺(Nilton Renno)说,关键在于,“在地球上,有液态水存在的地方,就会有微生物生命”。地球上这样的盐水中也的确有微生物存在。

略显矛盾的是,寻找火星生命证据最好的地方其实是地球。在冰冻的南极大陆上行走,你有时会发现一些小石头,而它们正是来自火星的陨石。事实上,每年有大约4.5千克的火星陨石落在地球上。如果有巨大的陨石撞击火星,火星的部分岩石碎块就会摆脱重力束缚,被抛向太空。作为这颗红色星球最近的邻居,地球的引力会捕获其中一些石块,而它们在荒凉并且覆盖冰雪的南极大陆最容易被发现。对这些陨石的化学分析显示,它们的冲击玻璃(冲击试验产生的熔体凝聚物)含有与火星大气层相同的气体组合——与许多火星探测器的结果一致,因此可以认定确实来自火星。

1996年,NASA研究者戴夫·麦凯(Dave McKay)及其团队宣称,一颗在南极发现的陨石——艾伦丘陵陨石84001(缩写为ALH 84001)——上存在微生物的化石证据。这块陨石是1984年12月27日由美国南极陨石搜寻计划(Antarctic Search for Meteorites,ANSMET)小组在南极洲艾伦丘陵发现的。今天很多人觉得这不大可能,但很久以前,的确有大量的水曾流入火星的河流和海洋,这些液体的矿物质遗迹在火星表面上清晰可见——洪泛平原、冲积盆地,甚至还有很早之前就干涸的U字形河道。早在1877年,意大利天文学家乔凡尼·斯基亚帕雷利(Giovanni Schiaparelli)就通过早期望远镜观察到了火星上的巨大裂谷,并称其为“canali”,在意大利语中是“水道”的意思,不过这个词在翻译成英语时被错误翻译为“canals”,即人工开凿的运河。19世纪末到20世纪初时,美国亚利桑那州的帕西瓦尔·罗威尔(Percival Lowell)认为他观察到了火星上有随季节变化的河流和植被。实际上,这可能是许多探测器在火星峡谷中拍摄到的清晨薄雾。以罗威尔的说法为依据,“泰山”(Tarzan)系列作品的作者埃德加·赖斯·巴勒斯(Edgar Rice Burroughs)在20世纪20到30年代创作了一个怪异的科幻小说系列——《火星公主》(A Princess of Mars),点燃了几代美国青少年的冒险激情。罗威尔看到的是望远镜里的裂纹,而巴勒斯看到的,则是公众轻信火星故事所带来的巨大财富(他曾经为了一位好莱坞女演员而与妻子离婚)。

后来的NASA探测器获得了令人感到挫败的结果。20世纪60年代的水手号探测器强烈地揭示出,火星稀薄而寒冷的大气层不允许纯液态水的存在,尽管最后一个轨道探测器清晰地拍摄到古代河床和海洋的遗迹。

2010年,亚利桑那大学一位研究火星轨道探测器所拍摄图像的本科生发现,火星的山脊顶部会间歇性出现深色平行条纹,就像季节性流水一样。这位名为Lujendra Ojha的学生是在高分辨率成像科学设备(high-resolution imaging science experiment,缩写为HiRISE)拍摄的图像中注意到这一奇怪现象的。深色细流在几十个地点都有出现。真是令人兴奋!Ojha将HiRISE的观测结果与火星的矿物地图进行了比较。光谱仪在好几个地方都观测到了水合盐,但只有在深色条纹出现并变宽的情况下。利用轨道探测器的小型勘测成像光谱仪,Ojha和研究团队对这些条纹反射的光线进行分析,检测到其中有痕量的高氯酸钠或高氯酸镁。火星的液态水中含有天然的盐水防冻剂。

很久以前,的确有大量的水曾流入火星的河流和海洋,这些液体的矿物质遗迹在火星表面上清晰可见——洪泛平原、冲积盆地,甚至还有很早之前就干涸的U字形河道。

想象一颗有着间歇性水流,气候干燥,同时又具有太阳系中最大型火山的行星,是不是很酷?行星上的大型湖泊含有与北冰洋相当的水量,奔腾的河流注入这些湖泊,大量的沉积物在河口形成了冲积三角洲。这就是早期的火星。再想象一颗充满了硫磺气味,被酸性海洋覆盖,同时大气层充满有毒和高温温室气体的行星,那里既没有氧气,也没有抵挡辐射的臭氧层;彗星不断轰击这颗行星,接着它又撞上另一颗与火星大小差不多的行星,大量的岩石物质被抛到太空,形成一个巨大的卫星——引力足以在行星表面掀起数百米高的潮水。欢迎来到早期的地球。

出于这样或那样的原因,NASA研究者史蒂芬·班讷(Steven Benner)等人提出,生命起源于火星,并通过喷出物的形式被带到地球。在NASA休斯顿太空中心的图书馆里,班讷从40年前获得的海盗号资料中找到了线索。他的发现带来了“巨大的困惑”。通过对古代微生物DNA的研究,并重新获得它们的基因和蛋白质,班讷希望将地球生命的起源与太阳系中生命的存在联系起来。在一系列论文中,他指出火星具有“温暖的气温和干湿循环”,可以使组成RNA的基础成分以“我们的化学形式”凝聚起来。

问题在于,以往许多关于火星生命或火星上存在水的说法都是错误的。但是,许多古老的微生物的确也会在地球上一些冰冷、碱性的类似环境中繁衍生息。因此,许多研究者争相前往硫磺洞穴、勘察加半岛上含钼和硼酸盐的温泉,以及黄石国家公园和南极的盐水湖。他们所发现的只有困惑。

NASA的克里斯·麦凯(Chris McKay)和珀涅罗珀·波士顿(Penelope Boston)就是两位在地球极端环境中搜寻微生物代谢和起源证据的研究者。作为一位前新墨西哥矿业及科技学院教授和两位马戏团训练师的女儿,珀涅罗珀·波士顿一开始是在北极研究微生物,后来将搜寻方向转向了地下深洞穴。来自加利福尼亚州的埃里森·莫瑞(Alison Murray)以在南极洲搜寻极端微生物而闻名。在好奇号火星车之后,突然之间,似乎所有人都对冰层之下的湖泊或平原,或偏僻的洞穴或矿坑中存活的生命起了兴趣。珀涅罗珀·波士顿曾经估计火星上存在微生物生命的可能性约为30%,现在她认为,这一可能性正在不断提高。她指出,如果这些微小的生命形式可以存在于极端恶劣的湖泊、洞穴或矿坑环境中,那火星的亚表面就可能存在微生物生命。

在美国新墨西哥州的国家洞穴和喀斯特研究所,珀涅罗珀·波士顿一开始担任“洞穴和喀斯特研究项目”的负责人。该项目是为了火星而提出的,她希望借此建立起火星地下环境,并将一系列讨论综合在一起,以说明生命在火星上是很有可能存在的,从而赢得来自NASA的质疑。她取得了很大的成功,以至于NASA在2016年任命她为天体生物学研究所(位于加州的莫菲特场)的主管,为她研究自己所热爱的科学领域提供了便利的条件。

来自内华达州沙漠研究所的生物化学家埃里森·莫瑞和路易斯安那州立大学的地球物理学家彼得·多兰(Peter Doran)合作对南极洲冰层下的盐水湖进行了研究,以了解那里的微生物,并获取古代气候的信息。他们在南极维达湖(Lake Vida)钻取了冰芯,从中发现了非常多样的古菌和细菌。“它们没有多少活动——大部分时间都在休眠,”莫瑞说道,“但它们就在那里。”盐水层下方的温度有所上升,但冰芯管采集了更深处的冰。

莫瑞等人的发现使研究者将目光投向了美国西部。加州大学伯克利分校的生物学家吉尔·班菲尔德(Jill Banfield)对科罗拉多河及加州铁山(Iron Mountain)一处废弃矿场里的水体进行了研究。仅在一处存放矿场废料的地点,她就发现了好几个新的细菌门类。关键在于,这些此前不为人知的奇特微生物需要依赖其他生物体的群落才能生存。这一结果帮助解释了为什么只有极少的细菌能在实验室中培养。在科罗拉多河附近一处较浅的含水层中,班菲尔德的团队采用了一种寻找生命的新技术,并发现了数十个新的细菌门类,从而改写了生命树。他们将789种生物划分到35个门,其中28个是新发现的,都属于细菌界。分类的依据是生物体的演化史和它们的16S rRNA基因的相似性;那些至少有75%的编码相同的生物被归为同一门。研究团队在每个季节和每个水层中都发现了差异巨大的共生物种。

2016年秋季,班菲尔德的团队在科罗拉多河的一个含水层中发现了新的细菌群,使地球上已知细菌群的数量翻了一番。这一来自地下的发现再一次改写了生命树。班菲尔德还对婴儿肠道中的微生物群落进行了研究。她的工作,以及其他研究者对黄石公园、智利的阿塔卡马沙漠、科罗拉多州和加利福尼亚州的废弃矿场,甚至海豚口腔内的微生物研究,都汇总在《自然-微生物学》(Nature Microbiology)期刊发表的“生命树”中;过去15年中,科学家新发现了大约一千个此前未知的物种。班菲尔德的发现带来的另一个惊喜是,新细菌的多样性有将近一半来自一个以往认为只能共生的细菌群。

紧接着,诺拉·诺夫克(Nora Noffke)又点燃了研究者寻找火星生命的热情。

在弗吉尼亚州诺福克的炎热夏天里,老道明大学的诺拉·诺夫克对好奇号火星车拍摄的盖尔撞击坑图片展开了研究。她是“微生物诱导沉积结构”(microbially induced sedimentary structures,缩写为MISS)领域的权威,而这一术语正是她的创造,用来描述咸水浅滩中微生物席在岩石上留下的结构。许多人都很熟悉古代微生物遗留物质沉积而成叠层石,但很少有人了解潮汐性微生物席的重要性。在长达30年的职业生涯里,诺夫克走遍了5个大陆,研究并归类了超过12种典型的微生物席形状,有的卷起,有的起皱,还有的呈波状结构。形似土堆的叠层石在澳大利亚、夏威夷和加勒比地区的海边已经成为游客观赏的景观。诺夫克发现,在澳大利亚偏远的内陆地区也存在着微生物诱导沉积结构,而这些结构被视为地球最古老的生命证据之一。

2014年夏天,NASA邀请诺夫克在一场会议上做了演讲,而该会议的主要目的是为2020年的火星车选择着陆地点。诺夫克发言称,如果早期地球和火星是相似的,那么或许火星上会保存一些微生物诱导的沉积物。与会者中就有加州理工学院的地球化学家肯·法利(Ken Farley),他的团队刚刚发表了一篇论文,描述了好奇号在火星的Sheepbed构造中发现的古老泥土结构——当时好奇号正在前往夏普山(Mount Sharp)22公里的路途中。会议之后,法利给诺夫克发送了图片,并询问了她的想法。在研究了这些拍摄于第126火星日(好奇号位于Sheepbed构造的那一天)的图片之后,诺夫克的心脏剧烈跳动起来。这些图片看着非常眼熟。她了解那种到处都能看到微生物结构的危险倾向,于是她想,“我先提交一篇假设性的文章,看看人们怎么说”。

2015年1月,当诺夫克发表了一篇指出火星存在微生物生命迹象的论文时,好奇号团队的反应十分强烈。一位科学家称,诺夫克就好像是在看“天空中的云”。他们还建立了一个网站来反驳诺夫克的观点。

2014年的甲烷爆发也可能只是来自好奇号的污染。不过,甲烷也是古菌等微生物所产生的标志性气体。到了2015年,火星勘测轨道飞行器(Mars Reconnaissance Orbiter)观测到盖尔撞击坑附近斜坡上存在着流动盐水,高氯酸盐的存在使其能在低于冰点的温度下保持液态。

争议在不断升级。好奇号团队称,诺夫克的地质学认识存在错误。诺夫克回应称:“它现在是一个受侵蚀的山坡,但曾经是一个湖泊,有着完全不同的古环境。他们说那是一条辫状河,这是不准确的。这是一个由缓慢而曲折的河流系统塑造而成的山坡。在地球上,你在这样的地方就能找到微生物席!”

唯一能解决这一争论的方法是把人送到火星上。最大的问题是携带足够的燃料,使他们能在火星表面起飞并返回地球。出于这一考虑,第一步很可能是先把人送到火星轨道上,正如行星学会(Planetary Society,目前的主席是比尔·奈)所提议的那样。再往前看,NASA正计划最早于2030年代将人类送上火星,欧洲和俄罗斯的火星探测计划“ExoMars”则计划在2020年登陆火星,将选择在一处湖床作为着陆地点。

更多关于盖尔撞击坑盆地中有古代微生物活动的证据来自俄勒冈大学,地质学家格雷戈里·勒塔拉克(Greg Retallack)指出,该地区土壤中高含量的硫酸盐只能是厌氧细菌在缺氧环境下的产物。在发表于《地质学》(Geology)杂志的文章中,勒塔拉克写道,在好奇号拍摄的图片中看到的一些“水泡结构”,与地球微生物在雨后产生的水泡类似。对诺夫克而言,与大型科学项目打交道的经历和公众对外星生命的迷恋令她深感挫败。她的论文只是一种假说,而不是完整的论证或主张,但好奇号团队的反应让她感到吃惊。不过,好奇号团队接下来要做的,是确定一个新的行程,在相同的季节回到第一次观测到甲烷爆发的地点。这或许表明,最重要的一点是,这项研究已经有了越来越广泛的公众基础,有越来越多人开始关注。

因此,当欧洲空间局的Schiaparelli探测器在2016年秋天到达火星轨道,准备降落在火星表面时,众多研究者和爱好者都激动不已。2016年10月19日,在轨道母单元的操纵下,Schiaparelli探测器开始向子午线高原(Meridiani Planum)区域降落。探测器的降落伞在12千米高空处弹出,挡热板在7.8千米处打开,一切都按照计划进行。接着,探测器内部出现了一个导航计算错误,1秒钟的误差导致第二个降落伞过早发射,并提早触发制动推进器,使导航认为探测器已经到达地表。最终,Schiaparelli探测器狠狠地撞在火星表面,而碰撞产生的碎片还可以在NASA的火星勘测轨道探测器拍摄的图片上看到。

试验的结果令人苦涩,但这毕竟只是一次试验。欧洲空间局并没有因此停住脚步,他们将在2020年的第二次ExoMars任务中重返火星。(任天)

Tags:火星  海盗号 好奇号 生命

责任编辑:zhangms

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