“好奇号”在火星上的新发现

苗千

2018年6月8日，美国航空航天局（NASA）戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center）的科学家们在《科学》杂志一连发表两篇论文，报告“好奇号”在火星探测所取得的最新发现。这两篇论文瞬间引起了全世界的關注和讨论，因为这些最新发现都与探测火星上可能存在的远古生命痕迹有关系。虽然还算不上是证实在火星上曾经存在过生命现象的决定性发现，但这些突破已足以显示出科学家们正走在一条正确的道路上，这将使人类继续探索火星生命痕迹的决心更坚定。

左图：在火星表面已经存在35亿至38亿年的“盖尔撞击坑”右图：“好奇号”在火星表面工作演示图

令人迷惑的甲烷含量变化

在《科学》杂志上发表的两篇论文之一，名为《火星大气层中的甲烷含量显示出很强的季节性变化》（Background levels of methane in Mars'atmosphere show strong seasonal variations）。从论文题目就可以看出这个发现的独特之处，这是科学家们第一次在火星大气中发现可重复的周期性现象，而且由于甲烷气体的特殊性，这个发现难免让人产生联想，是否在火星上存在有某种尚未被发现的微生物，随着季节变化周期性地排放出甲烷？

因为一个火星年的时间几乎相当于两个地球年（一个火星年大约为687个地球日），想要发现火星大气中甲烷含量的周期性变化，首先就需要“好奇号”拥有在火星表面进行长时间工作的能力。在将近三个火星年的时间里，“好奇号”利用自身所携带的火星样本分析（Sample Analysis at Mars）仪器持续探测火星大气层中各种物质的含量，终于发现在火星的夏天，大气甲烷的含量是在冬天里的三倍左右。尽管其是否来自于生命活动尚未可知，但是这种周期性的变化已经展示出了火星活动的某种内在规律。

从地球的情况来作比较，甲烷与生命现象的联系非常密切，地球大气的甲烷大多就是在缺少氧气的环境中由“产甲烷菌”产生并且排放出来的。尽管如此，发现火星大气中甲烷含量的周期性变化却也还不能说明在火星也存在着与地球类似的产甲烷菌。科学家们推测，这种周期性的现象，可能是因为在火星的夏天气温升高，地表下的蓄水层发生融化，因而火星土壤中液态水与岩石发生相互作用，产生出了甲烷进入火星大气。还有一种可能，这些甲烷是在远古产生出来，随后被封冻在了火星土壤中，随着土壤季节性的融化，甲烷气体再被逐渐释放到大气中。

当然，除去这些可能性最高的原因之外，也不能否认还有一种可能，就是在火星的土壤之中存在着一些与地球相似的产甲烷菌，它们会在恶劣的火星气候中沉睡，只有到了夏天才会苏醒，进行一些必要的生命活动，排出甲烷。

30多亿年前的有机物

另一篇论文《火星盖尔撞击坑的泥岩中保存了30亿年前的有机物》（Organic matter preserved in 3-billion-year-old mudstones at Gale crater，Mars），报告了“好奇号”一个更让人吃惊的发现。即使先不去考虑这个发现的科学意义，单从题目来看，已经展示了一个自然界奇迹与一个工程学奇迹的结合。

火星的年龄与地球类似，都是46亿年左右。在形成早期，这两颗行星的自然环境也有类似之处。科学家们通过“好奇号”发现，在形成十几亿年之后，在火星的表面产生出了构成生命最基本的结构——有机物，而且这些物质居然在火星逐渐变得严酷的自然环境中被保存了下来，可以说这是一个自然界的奇迹。在30多亿年之后，来自另一个行星的探测器，在经过长途旅行之后到达火星，从岩石中发现了这些有机物，从而让人有机会重建火星几十亿年间的历史，这又堪称一个人类工程学的奇迹。这两个奇迹结合在一起，成就了一个重大的科学发现。但人们最关心的问题，仍旧是能否在火星上真正发现生命存在过的痕迹。

“好奇号”此前在2015年进行过一次对火星岩石样本成分的检测，曾经发现过有机物的痕迹，但是人们怀疑那次检测受到了污染，结果并不可信。相比于以往，“好奇号”这次检测的结果更为可信，也更合理。虽然现在火星的气候条件十分恶劣，但是有证据显示，在几十亿年前火星表面上曾经存在液态水。“好奇号”现在所在的位置就曾经是一个大湖的湖底，而湖底的沉积物经过漫长的时间，逐渐转化为“泥岩”（mudstone）。科学家们曾经推测，在泥岩中最有可能发现远古火星生命的痕迹。

为了寻找有机物的痕迹，“好奇号”在盖尔撞击坑内部的四个区域钻孔，提取岩石样本进行检测。在提取到岩石岩本之后，它利用火星样本分析仪器，把碎末状的岩石样本在它携带的烤箱中加热到500～800摄氏度，使样本中的一些物质蒸发，随后检验这些被蒸发物质的分子量。从检测结果可以看出，被加热的岩石样本中含有少量的小有机分子，还探测到了硫元素的存在。

有机物是含有碳元素和氢元素的化合物，这些特殊的化学物质是构成生命形式最基本的结构，因此可以说它们的存在与生命现象紧密相连。在火星岩石样本中发现了30多亿年前形成的有机物的痕迹，虽然不能说就是火星上曾经存在过生命现象的证据，但已经可以为人们提供足够的线索。目前的问题在于，在一些没有生命现象参与的化学过程中，也有可能产生出有机物，那么“好奇号”所发现的有机物的痕迹，究竟是来自于非生命现象，还是生命现象？或者说这些残存的有机物，究竟是30多亿年前火星生物所残留的部分，还是当时火星生物维持生命所需的食物？

以“好奇号”目前的实验条件还无法检测出这些被保存了30多亿年时间的有机物的具体成分和来源，但是这个发现已经可以证明，有机物可以在如此严酷的自然环境中被保存数十亿年的时间，这就已经给地球上的科学家们带来莫大的动力。另一方面，能够做出这样的重大发现，也是因为“好奇号”选取了一个绝佳的探测环境。在火星气候还没有变得极为恶劣的时候，一个大湖的湖底自然是产生和保存有机物的绝佳环境，而后这些有机物又被湖底的沉积物所吸收和保存了数十亿年，使其免遭紫外线的袭击。

科学家们估计，这些被探测到的有机物中可能存在由碳原子组成的环状或是链状结构，但是通过高温蒸发的探测方法也只能检测到一些结构不明的小分子有机物，唯一明确的只有一种含量较大的名为“噻吩”的含有硫元素的分子。相比之下，大分子有机物不容易被蒸发，而且在加热过程中也可能会被分解为小分子结构，因此想要进行更精确的探测，人们就需要挖得更深，透过火星的表面深入到土壤之中，并且把取到的样本送回地球进行分析。而这样的探测项目，无论是在技术上还是在财政方面，都将是一个极大的挑战。

“好奇号”在火星泥岩中发现的有机物，虽然其来历还不清楚，但是它在分别两处采样的样本检测中，都发现了与地球地壳中的腐泥型“油母质”（kerogen）非常相似的化学物质。在地球环境中，腐泥型油母质主要是由地质压力对古老的藻类进行挤压所产生——这就难免让人联想，火星岩石中的有机物是否也是在类似的环境中产生出来的。

但仅凭这一点仍然无法证明在火星上曾经存在生命现象，因为火星和太阳系内部的其他行星一样，都持续受到来自陨石和小行星的袭击。正是因为如此，“好奇号”所检测的样本也有可能是来自于太阳系内一些富含碳元素的落在火星表面的陨石。另外也有可能是在远古时代因为火星的火山喷发，在特殊条件下形成了这些与地球构成类似的有机物。

在“好奇号”之后

无论如何，人们已经通过“好奇号”的工作证明，在几十亿年前，火星的表面有着适合生命存在的自然条件，也有让生命形成的化合物，以及生命活动所需的能量来源。至于在火星上是否曾经存在过生命现象，甚至于目前在火星的土壤中是否存在着生命现象，这些问题都还需要进一步的探索，而这可能已经超出了“好奇号”的能力，需要下一代的火星探测计划来完成。

在“好奇号”之前，于2008年登陆火星的“凤凰号”火星探测器（Phenix Mars Lander）降落在火星的北极区域。在它对火星表面土壤和岩石样本进行探测的过程中，发现了大量的高氯酸盐（perchlorate salts）。这种含氯化合物在紫外线和宇宙射线的配合下，非常容易破坏在火星表面的有机物结构，让前来寻找生命痕迹的探测器一无所获。正是因为如此，有科学家怀疑，大量的有机物，包括可能存在过的火星生命所留下的痕迹，可能都被保存在火星的地表以下——想要找到它们，就需要更深的挖掘。

美国航空航天局正在建造的下一代火星探测器——“火星2020漫游者”（Mars 2020 Rover）将是人类探测火星的新希望。按照计划，这个新一代的探测器将在2020年的七八月份，在地球与火星的相对位置恰好合适时发射升空，在2021年2月登陆火星。相比于诸多前任，它将配有一个特殊的钻头，足以提取更深处的岩石样本。目前人们计划“火星2020漫游者”将提取30个岩石核心的样本，并且还要把取得的样本送回到地球，让科学家们有机会在更好的条件下检测火星岩石的成分。

在设计上，虽然“火星2020漫游者”主要参考“好奇号”，但因为将采用新的“进入，下降，和着陆”（entry，descent，and landing）技术，它的体积将会更大，也就能携带更多的探测设备。按照计划，它将至少在火星工作一个火星年的时间。除了寻找火星上可能存在的生命痕迹，它还将探测火星的地质信息，收集火星的气象信息，这些工作都是为了人类宇航员在未来登陆火星做准备。不仅如此，“火星2020漫游者”还将实验一项新技术，尝试在96%的成分都是二氧化碳的火星大气中提取氧气，这也将是人类宇航员在火星进行工作的关键之处。

与此同时，欧洲空间局（ESA）也准备在2020年发射火星探测器“ExoMars Rover”，在2021年登陆火星，探测火星的生命信息。这个火星探测器将主要携带一个“火星有机分子分析器”（MOMA-Mars Organics Molecule Analyser），专门用来分析火星土壤和大气中的分子结构。

在“好奇号”的最新发现带给人惊喜、希望和无穷想象的同时，当然也有人对此持怀疑态度。有科学家认为，火星表面的有机物分子，也有可能是来自不断轰击火星的陨石和灰尘，并非产自火星本地。而所谓火星大气中甲烷含量随着季节变化，其变化的速度与火星的季节转变并没有完全契合，也可能存在着其他原因。根据目前人类已经获得的所有探测结果来推测，只能说明在火星上从来没有出现过任何生命。

根据目前的探测结果，一切尚未有定论，在科学界自然会众说纷纭，而对于每一项数据的解讀可能也都会伴随着科学家们的希望和想象。但随着人类进行火星探测不断取得新的进展，或许用不了太久，人类就可以在地球上分析火星的岩石样本，也会有人类宇航员踏足火星进行实地考察。

不论火星在几十亿年的时间里是否曾经出现过生命现象，现在生活在地球上的人类施展自己的才能，花费无数的时间、精力和金钱，冒着重重危险，跨越茫茫的宇宙空间探索火星，只是为了寻找其他可能存在的生命形式，这本身就是生命所创造的宇宙奇迹。

（本文写作参考了美国航空航天局网站、欧洲空间局网站和《自然》杂志的相关内容）