科學家探索火星上微生物生命從未停止

原標題：科學家探索火星上微生物生命從未停止

北京時間2月24日消息，據國外媒體報道，1976年7月的一天，午夜過後，在美國加州帕薩迪納市一個悶熱的房間里，海盜號火星勘測計劃（Viking Mars）的團隊成員圍坐在一台龐大的電腦顯示器旁邊，緊張地等待著世界上第一台成功發射的火星勘測著陸器傳來首批數據。這是有史以來第一台專門設計來探測生命的火星著陸器。接下來幾個星期里，海盜號的首批生命探測實驗傳回了令人震驚的結果。這些數據清楚地顯示，當有機化合物添加到火星土壤中時會釋放出二氧化碳，而不是混合物被超高溫加熱的時候。這是生命存在的跡象，而且與發生在地球上的實驗結果相同。當把水添加到火星土壤中時，還會釋放出氧氣，就像在地球上一樣。這台遠離地球的探測器，在頭兩個實驗中就發現了生命可能存在的跡象。第三個實驗是加熱土壤，就像在烤箱里加熱食物一樣，實驗結果有好有壞。

隨著第四個實驗的矛盾數據傳回，爭議變得越來越大。宣稱火星上存在生命將具有前所未有的意義。如果這些數據錯了，相信沒有一名團隊成員能夠接受。然而，世界上大多數人並不知道，在海盜號著陸器的4個實驗中，有3個實驗的結果可以被解讀為陽性的微生物檢測結果，與地球上被檢測數千次的結果一樣。研究者帕特里夏·斯特拉特（Patricia Straat）對另一位任務參與者吉爾·萊文（Gil Levin）說：「那就是生命！」

第四個實驗採用了一台氣相色譜儀——與詹姆斯·洛夫洛克（James Lovelock，英國獨立科學家、環保主義者和未來學家）使用的是同類儀器——和一台質譜儀，用來精密測量分子的大小。結果發現，火星上不僅沒有生命，而且完全沒有發現有機物的存在。這是個令人震驚的結果，因為宇宙空間中到處都有有機物，從小行星、彗星、隕石到星際塵埃。不僅如此，該實驗還指出，火星表面是有毒的，或者說能殺滅微生物。海盜號任務的科學家產生了激烈的爭論，而美國航空航天局（NASA）最終決定以謹慎的方式進行解釋。他們的結論是，由於火星土壤中含有的強氧化劑，使火星表面能「自我消毒」，並且使其呈現出紅色。海盜號發現了一個荒涼而狂風大作的紅色星球，上面布滿了隕石坑，像月球一樣寒冷和死寂。

少數參與任務的科學家反對這一結論，他們認為第四個實驗只是失敗了而已，在地球上也經常出現這種情況。包括吉爾·萊文在內的一群活躍人士，不斷寫信和演講，敦促NASA公布全部的海盜號數據。在2016年NASA慶祝該任務40周年的活動上，萊文重申了這一呼籲。他預測好奇號（Curiosity）火星車會找到更複雜的有機物，事實也確實如此。當看到好奇號探測到甲烷爆發時，萊文指出，甲烷的消失發生得太快了，不可能是紫外輻射引起，「這種消失可能是由甲烷氧化菌引起的，它們能利用甲烷，並形成一個完美的小型生態循環。」

火星地表遍布沙丘和礫石，沒有穩定的液態水

其他火星探測器也給出了矛盾的結果。NASA在21世紀初開始了機遇號（Opportunity）和勇氣號（Spirit）火星車任務，這兩個探測器傳回的報告令世界各地數以百萬計的人感到興奮。不過，兩輛火星車都是由地質學家設計和建造，與生物學家無關。2008年，鳳凰號（Phoenix）著陸器第一次傳回了火星上有水存在的證據。該探測器的相機捕捉到了水滴在寒冷的鋼製著陸腳架上凝結的清晰畫面。模擬結果給出了兩種可能，一是被風吹過來的高氯酸鈣顆粒周圍有水凝結，這種鹽型礦物具有能從大氣中擷取水分的特性；二是探測器登陸時攪動了火星表面下的臟冰，水冰在腳架上融化並形成水滴。參與該任務的密歇根大學科學家尼爾頓·倫諾（Nilton Renno）說，關鍵在於，「在地球上，有液態水存在的地方，就會有微生物生命」。地球上這樣的鹽水中也的確有微生物存在。

略顯矛盾的是，尋找火星生命證據最好的地方其實是地球。在冰凍的南極大陸上行走，你有時會發現一些小石頭，而它們正是來自火星的隕石。事實上，每年有大約4.5千克的火星隕石落在地球上。如果有巨大的隕石撞擊火星，火星的部分岩石碎塊就會擺脫重力束縛，被拋向太空。作為這顆紅色星球最近的鄰居，地球的引力會捕獲其中一些石塊，而它們在荒涼並且覆蓋冰雪的南極大陸最容易被發現。對這些隕石的化學分析顯示，它們的衝擊玻璃（衝擊試驗產生的熔體凝聚物）含有與火星大氣層相同的氣體組合——與許多火星探測器的結果一致，因此可以認定確實來自火星。

1996年，NASA研究者戴夫·麥凱（Dave McKay）及其團隊宣稱，一顆在南極發現的隕石——艾倫丘陵隕石84001（縮寫為ALH 84001）——上存在微生物的化石證據。這塊隕石是1984年12月27日由美國南極隕石搜尋計劃（Antarctic Search for Meteorites，ANSMET）小組在南極洲艾倫丘陵發現的。今天很多人覺得這不大可能，但很久以前，的確有大量的水曾流入火星的河流和海洋，這些液體的礦物質遺迹在火星表面上清晰可見——洪泛平原、沖積盆地，甚至還有很早之前就乾涸的U字形河道。早在1877年，義大利天文學家喬凡尼·斯基亞帕雷利（Giovanni Schiaparelli）就通過早期望遠鏡觀察到了火星上的巨大裂谷，並稱其為「canali」，在義大利語中是「水道」的意思，不過這個詞在翻譯成英語時被錯誤翻譯為「canals」，即人工開鑿的運河。19世紀末到20世紀初時，美國亞利桑那州的帕西瓦爾·羅威爾（Percival Lowell）認為他觀察到了火星上有隨季節變化的河流和植被。實際上，這可能是許多探測器在火星峽谷中拍攝到的清晨薄霧。以羅威爾的說法為依據，「泰山」（Tarzan）系列作品的作者埃德加·賴斯·巴勒斯（Edgar Rice Burroughs）在20世紀20到30年代創作了一個怪異的科幻小說系列——《火星公主》（A Princess of Mars），點燃了幾代美國青少年的冒險激情。羅威爾看到的是望遠鏡里的裂紋，而巴勒斯看到的，則是公眾輕信火星故事所帶來的巨大財富（他曾經為了一位好萊塢女演員而與妻子離婚）。

後來的NASA探測器獲得了令人感到挫敗的結果。20世紀60年代的水手號探測器強烈地揭示出，火星稀薄而寒冷的大氣層不允許純液態水的存在，儘管最後一個軌道探測器清晰地拍攝到古代河床和海洋的遺迹。

2010年，亞利桑那大學一位研究火星軌道探測器所拍攝圖像的本科生髮現，火星的山脊頂部會間歇性出現深色平行條紋，就像季節性流水一樣。這位名為Lujendra Ojha的學生是在高解析度成像科學設備（high-resolution imaging science experiment，縮寫為HiRISE）拍攝的圖像中注意到這一奇怪現象的。深色細流在幾十個地點都有出現。真是令人興奮！Ojha將HiRISE的觀測結果與火星的礦物地圖進行了比較。光譜儀在好幾個地方都觀測到了水合鹽，但只有在深色條紋出現並變寬的情況下。利用軌道探測器的小型勘測成像光譜儀，Ojha和研究團隊對這些條紋反射的光線進行分析，檢測到其中有痕量的高氯酸鈉或高氯酸鎂。火星的液態水中含有天然的鹽水防凍劑。

想像一顆有著間歇性水流，氣候乾燥，同時又具有太陽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與北冰洋相當的水量，奔騰的河流注入這些湖泊，大量的沉積物在河口形成了沖積三角洲。這就是早期的火星。再想像一顆充滿了硫磺氣味，被酸性海洋覆蓋，同時大氣層充滿有毒和高溫溫室氣體的行星，那裡既沒有氧氣，也沒有抵擋輻射的臭氧層；彗星不斷轟擊這顆行星，接著它又撞上另一顆與火星大小差不多的行星，大量的岩石物質被拋到太空，形成一個巨大的衛星——引力足以在行星表面掀起數百米高的潮水。歡迎來到早期的地球。

出於這樣或那樣的原因，NASA研究者史蒂芬·班訥（Steven Benner）等人提出，生命起源於火星，並通過噴出物的形式被帶到地球。在NASA休斯頓太空中心的圖書館裡，班訥從40年前獲得的海盜號資料中找到了線索。他的發現帶來了「巨大的困惑」。通過對古代微生物DNA的研究，並重新獲得它們的基因和蛋白質，班訥希望將地球生命的起源與太陽系中生命的存在聯繫起來。在一系列論文中，他指出火星具有「溫暖的氣溫和乾濕循環」，可以使組成RNA的基礎成分以「我們的化學形式」凝聚起來。

問題在於，以往許多關於火星生命或火星上存在水的說法都是錯誤的。但是，許多古老的微生物的確也會在地球上一些冰冷、鹼性的類似環境中繁衍生息。因此，許多研究者爭相前往硫磺洞穴、勘察加半島上含鉬和硼酸鹽的溫泉，以及黃石國家公園和南極的鹽水湖。他們所發現的只有困惑。

NASA的克里斯·麥凱（Chris McKay）和珀涅羅珀·波士頓（Penelope Boston）就是兩位在地球極端環境中搜尋微生物代謝和起源證據的研究者。作為一位前新墨西哥礦業及科技學院教授和兩位馬戲團訓練師的女兒，珀涅羅珀·波士頓一開始是在北極研究微生物，後來將搜尋方向轉向了地下深洞穴。來自加利福尼亞州的埃里森·莫瑞（Alison Murray）以在南極洲搜尋極端微生物而聞名。在好奇號火星車之後，突然之間，似乎所有人都對冰層之下的湖泊或平原，或偏僻的洞穴或礦坑中存活的生命起了興趣。珀涅羅珀·波士頓曾經估計火星上存在微生物生命的可能性約為30%，現在她認為，這一可能性正在不斷提高。她指出，如果這些微小的生命形式可以存在於極端惡劣的湖泊、洞穴或礦坑環境中，那火星的亞表面就可能存在微生物生命。

在美國新墨西哥州的國家洞穴和喀斯特研究所，珀涅羅珀·波士頓一開始擔任「洞穴和喀斯特研究項目」的負責人。該項目是為了火星而提出的，她希望藉此建立起火星地下環境，並將一系列討論綜合在一起，以說明生命在火星上是很有可能存在的，從而贏得來自NASA的質疑。她取得了很大的成功，以至於NASA在2016年任命她為天體生物學研究所（位於加州的莫菲特場）的主管，為她研究自己所熱愛的科學領域提供了便利的條件。

來自內華達州沙漠研究所的生物化學家埃里森·莫瑞和路易斯安那州立大學的地球物理學家彼得·多蘭（Peter Doran）合作對南極洲冰層下的鹽水湖進行了研究，以了解那裡的微生物，並獲取古代氣候的信息。他們在南極維達湖（Lake Vida）鑽取了冰芯，從中發現了非常多樣的古菌和細菌。「它們沒有多少活動——大部分時間都在休眠，」莫瑞說道，「但它們就在那裡。」鹽水層下方的溫度有所上升，但冰芯管採集了更深處的冰。

莫瑞等人的發現使研究者將目光投向了美國西部。加州大學伯克利分校的生物學家吉爾·班菲爾德（Jill Banfield）對科羅拉多河及加州鐵山（Iron Mountain）一處廢棄礦場里的水體進行了研究。僅在一處存放礦場廢料的地點，她就發現了好幾個新的細菌門類。關鍵在於，這些此前不為人知的奇特微生物需要依賴其他生物體的群落才能生存。這一結果幫助解釋了為什麼只有極少的細菌能在實驗室中培養。在科羅拉多河附近一處較淺的含水層中，班菲爾德的團隊採用了一種尋找生命的新技術，並發現了數十個新的細菌門類，從而改寫了生命樹。他們將789種生物劃分到35個門，其中28個是新發現的，都屬於細菌界。分類的依據是生物體的演化史和它們的16S rRNA基因的相似性；那些至少有75%的編碼相同的生物被歸為同一門。研究團隊在每個季節和每個水層中都發現了差異巨大的共生物種。

2016年秋季，班菲爾德的團隊在科羅拉多河的一個含水層中發現了新的細菌群，使地球上已知細菌群的數量翻了一番。這一來自地下的發現再一次改寫了生命樹。班菲爾德還對嬰兒腸道中的微生物群落進行了研究。她的工作，以及其他研究者對黃石公園、智利的阿塔卡馬沙漠、科羅拉多州和加利福尼亞州的廢棄礦場，甚至海豚口腔內的微生物研究，都匯總在《自然-微生物學》（Nature Microbiology）期刊發表的「生命樹」中；過去15年中，科學家新發現了大約一千個此前未知的物種。班菲爾德的發現帶來的另一個驚喜是，新細菌的多樣性有將近一半來自一個以往認為只能共生的細菌群。

緊接著，諾拉·諾夫克（Nora Noffke）又點燃了研究者尋找火星生命的熱情。

在弗吉尼亞州諾福克的炎熱夏天裡，老道明大學的諾拉·諾夫克對好奇號火星車拍攝的蓋爾撞擊坑圖片展開了研究。她是「微生物誘導沉積結構」（microbially induced sedimentary structures，縮寫為MISS）領域的權威，而這一術語正是她的創造，用來描述鹹水淺灘中微生物席在岩石上留下的結構。許多人都很熟悉古代微生物遺留物質沉積而成疊層石，但很少有人了解潮汐性微生物席的重要性。在長達30年的職業生涯里，諾夫克走遍了5個大陸，研究並歸類了超過12種典型的微生物席形狀，有的捲起，有的起皺，還有的呈波狀結構。形似土堆的疊層石在澳大利亞、夏威夷和加勒比地區的海邊已經成為遊客觀賞的景觀。諾夫克發現，在澳大利亞偏遠的內陸地區也存在著微生物誘導沉積結構，而這些結構被視為地球最古老的生命證據之一。

2014年夏天，NASA邀請諾夫克在一場會議上做了演講，而該會議的主要目的是為2020年的火星車選擇著陸地點。諾夫克發言稱，如果早期地球和火星是相似的，那麼或許火星上會保存一些微生物誘導的沉積物。與會者中就有加州理工學院的地球化學家肯·法利（Ken Farley），他的團隊剛剛發表了一篇論文，描述了好奇號在火星的Sheepbed構造中發現的古老泥土結構——當時好奇號正在前往夏普山（Mount Sharp）22公里的路途中。會議之後，法利給諾夫克發送了圖片，並詢問了她的想法。在研究了這些拍攝於第126火星日（好奇號位於Sheepbed構造的那一天）的圖片之後，諾夫克的心臟劇烈跳動起來。這些圖片看著非常眼熟。她了解那種到處都能看到微生物結構的危險傾向，於是她想，「我先提交一篇假設性的文章，看看人們怎麼說」。

2015年1月，當諾夫克發表了一篇指出火星存在微生物生命跡象的論文時，好奇號團隊的反應十分強烈。一位科學家稱，諾夫克就好像是在看「天空中的雲」。他們還建立了一個網站來反駁諾夫克的觀點。

2014年的甲烷爆發也可能只是來自好奇號的污染。不過，甲烷也是古菌等微生物所產生的標誌性氣體。到了2015年，火星勘測軌道飛行器（Mars Reconnaissance Orbiter）觀測到蓋爾撞擊坑附近斜坡上存在著流動鹽水，高氯酸鹽的存在使其能在低於冰點的溫度下保持液態。

爭議在不斷升級。好奇號團隊稱，諾夫克的地質學認識存在錯誤。諾夫克回應稱：「它現在是一個受侵蝕的山坡，但曾經是一個湖泊，有著完全不同的古環境。他們說那是一條辮狀河，這是不準確的。這是一個由緩慢而曲折的河流系統塑造而成的山坡。在地球上，你在這樣的地方就能找到微生物席！」

唯一能解決這一爭論的方法是把人送到火星上。最大的問題是攜帶足夠的燃料，使他們能在火星表面起飛並返回地球。出於這一考慮，第一步很可能是先把人送到火星軌道上，正如行星學會（Planetary Society，目前的主席是比爾·奈）所提議的那樣。再往前看，NASA正計劃最早於2030年代將人類送上火星，歐洲和俄羅斯的火星探測計劃「ExoMars」則計劃在2020年登陸火星，將選擇在一處湖床作為著陸地點。

更多關於蓋爾撞擊坑盆地中有古代微生物活動的證據來自俄勒岡大學，地質學家格雷戈里·勒塔拉克（Greg Retallack）指出，該地區土壤中高含量的硫酸鹽只能是厭氧細菌在缺氧環境下的產物。在發表於《地質學》（Geology）雜誌的文章中，勒塔拉克寫道，在好奇號拍攝的圖片中看到的一些「水泡結構」，與地球微生物在雨後產生的水泡類似。對諾夫克而言，與大型科學項目打交道的經歷和公眾對外星生命的迷戀令她深感挫敗。她的論文只是一種假說，而不是完整的論證或主張，但好奇號團隊的反應讓她感到吃驚。不過，好奇號團隊接下來要做的，是確定一個新的行程，在相同的季節回到第一次觀測到甲烷爆發的地點。這或許表明，最重要的一點是，這項研究已經有了越來越廣泛的公眾基礎，有越來越多人開始關注。

因此，當歐洲空間局的Schiaparelli探測器在2016年秋天到達火星軌道，準備降落在火星表面時，眾多研究者和愛好者都激動不已。2016年10月19日，在軌道母單元的操縱下，Schiaparelli探測器開始向子午線高原（Meridiani Planum）區域降落。探測器的降落傘在12千米高空處彈出，擋熱板在7.8千米處打開，一切都按照計划進行。接著，探測器內部出現了一個導航計算錯誤，1秒鐘的誤差導致第二個降落傘過早發射，並提早觸發制動推進器，使導航認為探測器已經到達地表。最終，Schiaparelli探測器狠狠地撞在火星表面，而碰撞產生的碎片還可以在NASA的火星勘測軌道探測器拍攝的圖片上看到。

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