探索火星环境和生命

林杨挺

中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室，北京 100029

探索火星环境和生命

林杨挺†

中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室，北京 100029

火星最有可能孕育出地外生命，是人类未来实现太空移民的首选星球。水是生命不可或缺的要素之一，是寻找火星生命的关键线索；同时，水又是影响岩浆活动和构造运动的主要因素，是联系火星内部活动与表生环境演化的纽带。大量的火星探测结果揭示了火星古环境的演化历史，从约35亿年前曾存在河流湖泊演变为现代寒冷干燥的地表。火星陨石是目前唯一获得的火星岩石样品，既携带了火星岩浆活动的信息，又通过与水相互作用，记录了火星的环境演化。其中，中国的南极火星陨石提供了1.9亿年前火星存在地下水活动的证据，而另一个新降落的火星陨石保存了可能与生命活动相关的有机质。

火星；陨石；古气候；生命；深空探测

除地球的卫星——月球之外，火星是人类探索最多的一个星球，也是神话故事和科幻影视的重要主题。在太阳系的八大行星中，火星与地球最为相似。它有四季的变化，早期也有河流湖泊，甚至很可能有过生命。火星的质量和体积略小于地球，因此内部能量更快散失，更早进入了晚期，从而为地球展示了一个完整的演化历史。这对认识地球的过去、现在和将来，以及地球为何如此独特，有着不可替代的作用。

1 水是探索火星环境和生命的关键线索

水是决定地球表生环境的最关键因素，更是生命赖以生存的最基本条件，是构成生物体的主要成分。因此，探索火星的环境，寻找可能的火星生命，水无疑是一条最重要的线索。火星曾经存在河流、湖泊，甚至海洋吗？它们应该有多大的规模，总量有多少？这些水都是从哪里来的？后来又到哪里去了？30多亿年以来，火星表面一直处在与现代火星环境相似的寒冷和干旱的状态，表面不可能存在液态水，实际探测也证实了这一点。但是，在火星次表层，是否存在地下水？地下水系统能维持多长时间？为了回答这些科学问题，需要从两个方面进行研究：一是发射火星探测器，利用各种遥感技术对火星进行全方位的探测；二是借助高精度和高空间分辨的现代分析技术，在实验室对火星样品(即火星陨石)进行分析测试。

2 火星探测

自1960年以来，人类共发射了约50个火星探测器，有一半左右获得成功，包括对火星全球调查的轨道飞行器和对区域详细勘查的火星车。火星探测的大量结果表明，约35亿年之前，火星有过一段温暖湿润的时期，曾有河流、湖泊和海洋。主要证据之一是河流冲刷形成的地形地貌(图1)。火星表面化学组成和矿物组成的探查，进一步证实液态水的存在，其中包括岩石在水的作用下发生风化形成的黏土矿物，以及湖泊蒸发沉淀出来的石膏、氯化物、高氯酸盐、碳酸盐等盐类矿物[1]。“好奇号”火星车对着陆区的Gale撞击盆地的详细调查，发现了类似河床沉积的砾石和交错层理，以及湖相沉积的纹层泥岩，证明Gale盆地曾经是一个湖泊[2]。但是，火星遥感探测难以估计火星曾经有过的总水量。

图1 火星河谷等地形地貌影像(图片来自NASA)

火星表面的水哪去了？通过火星轨道飞行器探测查明，有一部分水以地下冰川和冻土的形式存在，还有一部分水逃离了火星。在对高分辨地形影像分析后，发现了一些山坡地形的塑性流变特征，指示存在地下冰川；一些区域分布的无根锥体群，类似于地球上熔岩流经冻土层所产生的地貌，揭示火星也存在冻土层；轨道飞行器上的雷达，还直接探测到位于次表层的水冰[3]。火星地下冰川和冻土的发现，解释了一部分水的消失之谜。除此之外，对火星电离层的探测发现由于缺少全球性偶极磁场的保护，在太阳风粒子的轰击下，H+离子与O-离子以2∶1(即相当于H2O)的比例逃逸，解释了另一部分水的丢失之谜。由于H+比D+(氘)离子轻，所以H+离子逃逸的速度更快，可以推测出火星上残留的水中，重同位素氘(D)将随之富集。

3 火星陨石研究

3.1 火星陨石

NASA计划在2020年前后从火星采集样品并返回。在此之前，火星陨石是唯一能获得的火星样品。即便将来采集到火星样品，火星陨石仍具有不可替代性，因为这些陨石随机来自火星表面，代表了更多、更大的区域。国际陨石命名委员会的数据库(http://www.lpi.usra.edu/meteor/ metbull.php)中收录的陨石总数已超过57 000块，其中火星陨石仅159块，不到总数的0.3%，非常稀少。尽管没有采集的火星岩石作为对比，这些陨石来自火星的证据也十分充分。首先，用放射性同位素衰变测出这些陨石的年龄大部分不到2亿年，表明它们来自一个比月球更大的星体(月岩的年龄一般老于30亿年)，岩浆活动持续了更长的时间。满足这一条件的对象只有火星、金星和水星，但金星有十分致密的大气层，水星远离地球而靠近太阳。最为令人信服的证据来自火星陨石中撞击形成的玻璃所捕获的火星大气样本，类似于中国海南等地广泛分布的玻璃陨石，其气泡封闭了地球大气。对火星陨石冲击熔融玻璃的气体成分分析后发现，其化学和同位素组成均与“海盗号”飞船对火星大气的直接测量结果完全一致(图2)，不同于地球或其他行星的大气。此外，近年火星车对着陆区岩石的就位分析，也证实了这些陨石来自火星。

图2 火星陨石冲击熔融玻璃的气体成分与火星大气的对比[4]

3.2 分析技术

与火星轨道飞行器和火星车相比，火星陨石对于揭示火星的古环境具有独特的优势。实验室分析手段更为灵敏和精确，可以检测出样品中含极微量的水，从而得知火星岩浆的水含量，后者是火星表面水的主要来源；火星陨石在离开火星之前，可与地下水发生风化反应，因此，分析火星陨石样品中的风化产物，可以解译出火星的环境信息；更进一步，利用质谱仪精确测量水中的氢同位素组成，可以判别水的来源；同样重要的是利用火星陨石的放射性同位素衰变，可以精确测定年龄；通过系统研究不同年龄的火星陨石，则可以重建火星环境的演化历史。

二次离子质谱(离子探针)是用聚焦的一次离子(Cs+或O-)束轰击样品表面几十微米大小的区域，产生二次离子，然后用质谱对其进行计数测量，从而获得精确的同位素或元素组成。用离子探针对火星陨石中角闪石、黑云母、磷灰石等含水矿物分析，发现了富集氘同位素的特征，其δD值(((D/H)样品/(D/H)SMOW－1)×1 000‰)高达4 400‰[5]，指示了极富D的火星壳物质。此后，通过对更多火星陨石样品氢同位素的离子探针分析，也证实了火星壳源水的富D特征，并将δD上限提高到5 000‰[6]。这说明有更多的水逃离了火星，使残留的水更富重同位素。根据瑞利蒸发模型，估算出早期火星的总水量相当于覆盖火星表面数十至百米深度。但是，这些火星陨石分析得到的δD值实际上是火星岩浆与火星壳物质中两种来源水的混合结果，只代表了火星大气降水的下限值。另一方面，这些分析结果还不能证明所测试的H(矿物中的水可以是H+、OH-等结构水)来自液态水，不能因此说明火星表面的确存在液态水。

3.3 火星陨石的水

图3 在东南极格罗夫山发现的GRV 020090火星陨石：(a) 东南极格罗夫山；(b) 陨石样品手标本；(c) 岩浆包裹体；(d) 磷灰石

中国第16次南极科考，在东南极内陆格罗夫山(图3(a))发现一块火星陨石，编号为GRV 020090 (图3(b))。它由辉石和橄榄石等矿物组成，属于二辉橄榄岩类型，是火星幔部分熔融形成的岩浆上升到次表层结晶形成的[7]，年龄约1.9亿年。该陨石的橄榄石晶体中分布有呈椭球状的岩浆包裹体[8](图3(c))，是捕获的初始岩浆。另外，它还含有较多的磷灰石[8](图3(d))。这些岩浆包裹体和磷灰石均含水，成为很理想的研究对象。纳米离子探针NanoSIMS 50L除了具有离子探针的高灵敏度、高分辨和高精度特性外，还具有更高空间分辨的突出优势，离子束可小至50 nm。该仪器还配备了7个离子接收器，可同时分析7个同位素或元素。利用纳米离子探针，分析GRV 020090火星陨石的岩浆包裹体和磷灰石，测出水的含量和H同位素组成(图4)。可以看出，岩浆包裹体的水含量与H同位素组成落在一条二端元的混合线上，其中低δD值的端元代表了岩浆水，高δD值的端元代表火星大气水。岩浆在上升过程中压力降低产生去气作用而造成水的丢失，因此所测定的岩浆水含量比原始岩浆要低很多，其差值反映了火山活动从火星内部向大气释放的水量。更为重要的是这些岩浆包裹体的分析结果反映了岩浆冷却之后，火星大气降水的加入，证明在约1.9亿年前该陨石母岩形成时，存在液态水。对于具有超过45亿年历史的火星而言，1.9亿年前的事情几乎可以视同现代的事件。不仅如此，该项工作还测出了火星陨石最高的δD值((6 034±72)‰)，表明火星不仅有水，而且水量比之前估计的还要多[8]。这是因为更多的水被太阳风轰出了火星，留下的水才出现更高程度的氘同位素富集。近期火星大气的探测也发现了非常高的氘富集[9]，同时发现太阳风对火星大气的强烈剥蚀[10]。

图4 GRV 020090火星陨石的水含量与H同位素组成关系(虚线为二端元组分的混合线)

纳米离子探针具有非常高的空间分辨力，因此可以对单个岩浆包裹体进行更精细的分析。从包裹体的中央到边界逐点分析后发现，水的含量和δD值很不均一，且从内向外升高。这一发现说明，岩浆冷却形成岩石之后，富氘同位素的水从外部加入，从而进一步证明了液态水的存在。根据实验测定的水在硅酸盐玻璃中的扩散速度，可以模拟出水在岩浆包裹体中的扩散，据此计算出液态水的存在时间可长达25万年。综合对GRV 020090火星陨石的研究，揭示了这样一段历史：约1.9亿年前，火星幔部分熔融形成的岩浆上侵到浅表层，形成了该陨石的母岩体；同时，岩浆的热量使周围地下冰川融化形成了地下水循环系统，并持续存在了长达25万年。这一发现证明，尽管30多亿年以来火星表面不再有液态水的存在，然而持续的火山活动使地下冰川和冻土融化，形成地下水循环系统，也可以为生命的存在提供必要条件。最近在火星的一些坑壁的季节性变化线状暗纹中识别出水合盐类物质，是涌出的地下卤水蒸发后的残余，证明了现代火星仍存在地下水[11]。

4 有机质是构成生命的基本成分

4.1 火星上的有机质

有关火星的大量发现已充分证明这一红色星体曾经具备生命必需的基本条件，甚至现在的地表之下仍然有适宜生命的区域。寻找火星生命已成为一个可行的目标，实际上这已成为火星探测最关键的科学牵引。如何寻找或证明火星生命？从方法上可以分为三个层次：①发现有机质，并证明与生命活动相关；②发现生物化石；③发现火星生物。尽管新的发现不断增强寻找火星生命的希望，但比较一致的认识是，如果存在火星生命，很可能还处在微生物阶段，不太有可能出现宏观的生物体。因此，大量的探索聚焦于发现火星存在有机质，并证明其是否与生命相关。

“火星快车”上的光谱仪首次在火星大气中探测到浓度仅30 ppb(1 ppb=10-9)的甲烷[12]。进一步的研究发现火星大气甲烷的浓度在空间上是不均一的、季节性变化的[13]。火星大气甲烷的发现极大地激发了人类探索火星生命的热情，也促成了“好奇号”火星探测计划的实施，后者在着陆区的大气中也检测到浓度为7 ppb的甲烷[14]，并在土壤中首次发现了更长链的有机分子[15]。地球上绝大部分有机质是生命活动的产物，但是，火星上发现的甲烷等有机分子的成因并不清楚。另一方面，各种地外物质，如碳质球粒陨石、彗星尘粒和星际尘埃等，都富含有机质，但它们的成因显然与生命无关。这些地外有机质主要为不可溶的大分子(统称干酪根，煤也属于一类干酪根)，还包括较少量的各种烷烃、芬烃、多环芬烃、脂肪烃、醛和氨基酸等。著名的米勒-尤利(Miller-Urey)实验证明了可以通过无机化学过程合成氨基酸等有机质；费-托(Fischer-Tropsch-Type)合成反应，则用C、H2O为原料合成出小分子有机物；此外，地球上一些热液过程也发现非生物成因的甲烷等有机气体。很显然，在火星上探测更多的有机质，并证明与生命过程相关，仍需要经过很长的一段历程。

4.2 火星陨石的有机质

火星陨石提供了另一条探索火星生命的途径，但是地球有机质的污染成为一个严重的制约因素。1996年曾报导在一块降落于南极的火星陨石ALH 84001中发现了多环芬烃、类似细菌形态的微结构以及纳米磁铁矿晶体等[16]，但现在普遍认为，它们是污染或人为因素造成的。如何证明有机质来自火星，成为首要解决的关键问题。通常，短寿命的放射性同位素14C的缺失被用于判别火星成因的重要证据，据此证明一些火星陨石含有地外来源的有机质。此外，阶段燃烧法也常被用来识别火星来源的有机质。将火星陨石样品从低温到高温逐渐加热，分析不同温度区间释放出的碳的量和C同位素组成。通常认为污染物在低温段(＜600 ℃)释放，而高温区间(600～1 100 ℃)析出的碳主要来自火星。这些技术只能大体判别火星陨石样品是否含有地外来源的有机质。

为了获得火星陨石中有机质分布的信息，一些研究者利用光学显微镜在火星陨石的岩石薄片中寻找有机质。他们在所观察的一些玄武岩质样品中找到微米大小的有机质，根据激光拉曼光谱特征，确定属于干酪根型大分子有机质[17]。这些研究者认为，由于有机质颗粒均出现在岩浆包裹体中，因而确认它们源自火星而非地球污染。更进一步，他们据此推断有机质是岩浆从火星深部带上来的，因此与生命无关。但是，这些作者所描述的“岩浆包裹体”实际上是＜10 μm的铬铁矿晶体，而有机质分布在铬铁矿晶体表面，由此得出有机质来自火星深部的推论很可能是不正确的。

4.3 提森特火星陨石的有机质

为了最大限度地避免或减小地球污染，应该选用最新鲜的火星陨石样品。已收集的150多块火星陨石中，绝大部分降落在地表很长时间之后才被发现(即发现型陨石)，因而受到不同程度的风化和污染；仅有5块火星陨石有人目击其降落，之后很快被发现和收集(即降落型陨石)。其中提森特(Tissint)陨石(图5(a))最近(2011年)刚刚降落，是已知最新鲜的火星岩石样品，从而提供了研究火星有机质独一无二的机会。提森特陨石的形成年龄约为6亿年，因而保存了6亿年以来火星表面的一些信息。我们将提森特陨石制成岩石切片，借助扫描电子显微镜，发现了微米大小的碳颗粒。激光拉曼光谱的分析表明，这些碳颗粒是干酪根型的大分子有机质。其中一部分碳颗粒出现在小行星撞击熔融形成的硅酸盐熔脉中(图5(b))，表明它们形成于小行星撞击火星之前，有力地证明了火星来源而排除污染的可能性。还有一部分碳颗粒发现于撞击形成的微裂隙中(图5(c))。由于该陨石非常新鲜，并且这些碳颗粒不溶于水或酸，它们不可能是地表的污染。利用纳米离子探针分析这些碳颗粒的化学组成，除C之外，还含有H、N、P、S、Cl等元素，也佐证其属于有机质而不是非晶质的石墨[18]。

同位素是示踪物质来源的重要判据，其中C同位素组成常被用于判别碳的生物或非生物成因。生物成因碳常具有富轻C同位素的指征，即δ13C值为很低的负值。利用纳米离子探针，分析这些碳颗粒的H和C同位素组成，以进一步揭示它们的成因。除少数碳颗粒的H同位素组成无明显异常之外，大部分碳颗粒具有明显富氘的同位素组成，δD值高达1 183‰，是火星物质的指纹特征，完全不同于地球物质，从而确证它们的火星来源。同时，这些碳颗粒富轻C同位素，δ13C值为-13‰～-33‰，显著低于火星大气CO2(δ13C=-2.5‰～+46‰)和火星陨石中的碳酸盐(δ13C=20‰～70‰)，这一特征与地球上生物成因有机质很相似(图6)，也是迄今为止支持火星可能曾存在生命的最好证据。目前这一证据还需要从两方面进一步完善：其一是厘清火星内部碳的同位素组成，其二是要排除小行星轰击火星表面带入的碳物质。

图5 提森特火星陨石及其有机质：(a)提森特火星陨石手标本；(b)产于冲击熔脉中的碳颗粒；(c)充填于微裂隙中的碳颗粒

图6 提森特火星陨石中碳的同位素组成[18]

基于对提森特陨石的研究结果，勾画出以下的轮廓：(1)大约在6亿年前，火星幔部分熔融产生的岩浆上侵到次表层，冷却形成了玄武岩，岩浆的热量融化该区域可能存在的地下冰川和冻土，形成地下水循环系统；(2)一次小行星的撞击，使岩石破裂，含有机质(可能生物成因)的地下水渗滤到这些裂隙并沉淀；(3)再一次的小行星撞击，使岩石局部熔融形成硅酸盐熔脉，并将一部分有机质包裹在其中，形成手标本上发现的二种产状的有机质；(4)约在0.7百万年前，最后一次小行星撞击将提森特陨石抛射出火星，经过长进间的飞行，于2011年降落至地球。提森特陨石的有机质与GRV 020090陨石的水提供了火星古环境的信息，揭示了火星地下仍存在宜居环境，并且提森特火星陨石中有机质的C同位素提供了火星可能曾存在生命的证据。

5 地外生命的探索

人类不会永远待在地球这个摇篮，未来一定会走出地球。火星是与地球最相似的一颗行星，不仅为认识地球提供了最好的类比对象，而且曾经也是一颗宜居的行星，很可能存在过生命，因此，它无疑是人类迈出地球的第一站。太阳系内还有一些天体也存在支撑生命的条件，例如木卫二和土卫二的冰盖下可能是个海洋。开普勒空间望远镜对银河系很小区域的扫描观测，就发现了1 000个系外行星系，占所探测恒星数的1/4左右，其中包括数个大小和温度类似地球的宜居行星，这一比例远远高出预期。如果考虑到整个银河系的恒星数量，以及整个宇宙的星系总数，宜居行星的数量是一个很大的值，生命乃至高级智慧和文明或许普遍存在。

(2015年11月11日收稿)

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(编辑：温文)

Exploration of paleoclimate and possible life on Mars

LIN Yangting
Key Laboratory of Earth and Planetary Physics, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

Mars is the most promising planet where life may have emerged outside the Earth. It is the best candidate planet to immigrate in the future. Water is an essential constituent of life, which is the key clue of searching for life on Mars. Meanwhile, water plays an important role in magmatism and tectonic activity, connecting the interior processes and the climate evolution of Mars. Numerous Mars exploration missions have uncovered the paleoclimate history, evolving from the existence of fluvial water～3.5 billion years ago to the present cool and dry surface. Martian meteorites are the only available rock samples from Mars, carrying the information of the magmatism and the paleoclimate evolution via rock-water reaction on Mars. Evidence for the presence of groundwater on Mars ～190 million years ago was found in the Martian meteorite collected by the Chinese Antarctica Expedition, and possible life-related organic matter was discovered in the recent Tissint Martian meteorite fall.

Mars, meteorite, paleoclimate, life, deep space exploration

10.3969/j.issn.0253-9608.2016.01.001

†通信作者，国家杰出青年科学基金获得者，研究方向：陨石中的太阳系外物质与恒星演化。

E-mail：linyt@mail.iggcas.ac.cn