天文史上的今天 | 見證歷史： 火星有機物的發現！

來自專欄天文史上的今天

北京時間2018年6月8日凌晨，美國宇航局召開新聞發布會，宣布在火星岩石中檢測到有機物成分，並在火星大氣中檢測到甲烷成分及其季節變化。

這對於潛在火星生命的研究具有重大意義。

今天出版的美國《Science》雜誌以顯著位置報道火星上發現有機物的消息

來源：http://sciencemag.org

今天的推送晚了許多，因為篇幅比較長，涉及的內容也比較特別。不管如何，抱歉讓各位久等。

北京時間2018年6月8日凌晨，美國宇航局召開新聞發布會，宣布在火星岩石中檢測到有機物成分，並在火星大氣中檢測到甲烷成分及其季節變化。這對於潛在火星生命的研究具有重大意義。（微信公眾號：星空早知道）

2012年8月6日，美國第三代火星車「好奇號」安全降落到火星「蓋爾」隕坑內部。這台火星車上搭載了人類迄今送往另一顆行星表面的最先進，最複雜，也最昂貴的科學儀器組合，其中有一台設備叫做「火星取樣分析儀」(SAM)。這台設備的主要任務是在火星上搜尋有機物分子的蹤跡。

示意圖：好奇號火星車

來源：NASA

好奇號搭載的「火星取樣分析儀」(SAM)

來源：NASA

根據今日（2108年6月8日）出版的最新一期美國《科學》雜誌上發表的論文（Eigenbrode et al 2018），科學家們報告SAM儀器的數據給出了確鑿證據，證明火星上存在有機化合物成分——噻吩，芳香族化合物，以及脂肪族化合物。這是在蓋爾隕坑進行的一次鑽探的樣品分析得出的結果。

而在另一篇同時刊出的論文中（Webster et al.2018），科學家們報告檢測到火星大氣中甲烷成分的季節性變化。甲烷是最簡單的有機分子。（微信公眾號：星空早知道）

第一篇論文，關於在火星30億年前的沉積岩中檢測到有機物

來源：http://sciencemag.org

第二篇論文，關於在火星大氣中甲烷的存在，以及明顯的季節變動性

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這兩項發現對於天體生物學領域來說，都屬於重要的突破性進展。而要想真正理解這兩項發現的重要性，我們必須回溯到美國宇航局在1976年開展的「海盜號」（Viking）計劃，以及該計劃當時對於火星生命跡象的搜尋工作。

「海盜」號飛船一共發射了兩艘，都屬於NASA的旗艦級項目，耗資巨大。每一艘「海盜」飛船都包含一個軌道器和一個著陸器。「海盜」1號和「海盜」2號的著陸器都是固定式的，其攜帶的設備可以對火星大氣與地表環境進行記錄，相關儀器包括有氣相色譜-質譜儀（GCMS），其設計專門用於搜尋火星上的有機化合物成分。（微信公眾號：星空早知道）

上世紀70年代，著陸在火星上的海盜號探測器傳回的火星地表景象

來源：NASA

40年前，海盜號用於開展火星地表生命與有機分子檢測的設備，其中包括氣相色譜-質譜儀（GCMS）

來源：NASA

然而，這兩台著陸器都沒能在火星表土層樣本中檢測到任何生命或有機化合物存在的跡象。未能在火星上檢測到任何生命跡象，這是否應當讓人感到驚訝？仁者見仁智者見智。但甚至未能在火星上檢測到有機物成分，這一點是出乎當時大多數人意料的。

那麼，有機物為何如此重要，以至於40年後的今天，我們還在火星上孜孜不倦地尋覓？（微信公眾號：星空早知道）

好奇號著陸後的行進路線，淺藍色點為發現有機物的岩石鑽探位置

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正在對30億年歷史的古老火星沉積岩層進行鑽探的好奇號

來源：NASA

幾乎所有含有碳的分子都是有機化合物，除了一些個例，比如CO和CO2。儘管絕大部分有機物的產生的確與生命活動有關，但事情並不絕對。火星上的某些非生命現象也有可能可以產生有機化合物成分，甚至來自太空的隕星撞擊也可能帶來有機成分。當然，我們也不能排除古代甚至當代的火星生命活動產生了這些有機分子成分的可能性。

所有從地球飛向火星的飛船在出發前都經過了嚴格消毒，以防止地球上的生命物質「污染」火星。放眼宇宙，非生命過程產生有機分子的現象是十分普遍的。這些有機分子隨後可能會被彗星或小行星以撞擊形式帶到行星表面，因此在火星上發現有機物是不應該令人感到意外的。（微信公眾號：星空早知道）

機遇號火星車在火星上發現的隕石

來源：NASA

火星上的隕石

來源：NASA

但更加令人遐想的可能性是：過去，甚至現在，火星上是否有可能存在（過）生命？而這些生命產生了這些有機物。

地球上的生命會使用併產生四大類主要的有機化合物：碳水化合物，脂類，蛋白質以及核酸類。所有這些有機物都是由更小更簡單的有機分子組成的，比如說糖類，氨基酸，以及核酸鹼基等。（微信公眾號：星空早知道）

（橫屏觀看）勇氣號火星車拍攝的火星地表景象。火星地表暴露於強烈的電離輻射與紫外線照射中，且土壤中含有高氯酸鹽，具有強烈氧化性，對於有機物的保存非常不利

來源：NASA

如果假設火星上的生命與地球上的生命形式相似，那麼我們在火星上搜尋生命時就該將這類有機物分子作為重點關注對象。根據對地球開展的研究，再外推到火星的情況，科學家們估算認為火星上的非生命活動過程在火星表面產生的有機物數量大約在每年100~300噸左右。考慮到火星地質活動的不活躍，大部分地表都極為古老，年齡普遍在10億年以上，因此火星近地表的有機分子含量應該很豐富才對。

因此，40年前海盜號探測器竟然未能檢測到有機物分子，這是很令人意外的。一種觀點認為火星地表強烈的紫外輻射，電離輻射等環境因素，以及某些強氧化物成分會導致有機分子被破壞。這些作用因素的確可能會導致火星近地表數厘米乃至數米深的地下有機物分子被破壞。但即便如此，所有近地表的有機物分子都被破壞了，那麼它們降解後的分子產物也應該能夠被檢測到。（微信公眾號：星空早知道）

SAM設備在高溫分解樣品中發現多種有機物成分

來源：Eigenbrode et al 2018

另外，正如老嚴（微信公眾號：星空早知道）昨天的推送中所提到的，在火星上此前已經發現存在黏土類礦物，以及硫酸鹽類礦物，這類礦物擁有比較大的晶格間隙，其中是可能保存有有機物分子，使其免遭外部環境破壞的。因此，當年海盜號取樣檢驗的樣品究竟在多大程度上具有代表性，這一點其實是可以進一步探討的。

因此，再次開展針對火星有機物分子的搜尋是完全必要的。事實上，好奇號火星車攜帶的SAM設備正是當年海盜號攜帶的GCMS設備的高度升級版本，其工作原理基本上是類似的：通過對火星樣品進行高溫加熱，檢測其內部釋出的氣體成分有機化合物或者礦物熱分解產物的信號。（微信公眾號：星空早知道）

層狀硅酸鹽晶體結構示意圖：很多硅酸鹽礦物結構中常常存在較大間隙，可以保護有機物分子不被外界破壞

來源：http://crystallography365.wordpress.com

隨後，這些加熱後產生的氣體會被用可調諧激光譜儀，以及GCMS設備進行檢測。在500~820攝氏度範圍內，儀器直接檢測到多種高溫分解產物，包括前面提到的噻吩，芳香族化合物，以及脂肪族化合物。

這一結果有力地證明了長期以來科學家們的一項猜測，即火星淺地表的確存在有機化合物成分。（微信公眾號：星空早知道）

火星大氣甲烷濃度的明顯季節性變化

來源：Webster et al 2018

而在另一篇論文中（Webster et al 2018），科學家們在火星大氣中檢測到甲烷成分，並證明其濃度存在明顯季節變化。在5年的時間裡，SAM設備不僅檢測到穩定的甲烷背景值的存在，還發現其存在季節性變化。或許這些氣體源自某種大型地下儲庫，但就目前而言，這些甲烷的具體源頭，及其釋放機制都還不明朗。（微信公眾號：星空早知道）

很多種地質活動過程會產生甲烷，也就是說，甲烷並非一定源自生命活動，因此，區分這一點很重要，而這將需要未來的進一步研究。

1970現代，發射前正在進行「消毒」處理的海盜號飛船。所有飛向火星的飛船都要進行這種處理，以防止地球有機物質「污染」火星

來源：NASA

但不管如何，今天凌晨宣布的這兩個發現：火星岩石中有機物的發現，以及火星大氣中甲烷的存在和季節性變化，對於探索火星宜居環境乃至潛在的生命現象都具有重要意義。

好奇號迄今的研究已經證明了，在大約35億年前，其降落地所在的蓋爾隕坑地區可能曾經存在過宜居環境條件，其各項環境指標堪比早期地球，而那時候的地球上已經孕育了最早期的生命現象。（微信公眾號：星空早知道）

曾經的火星，也是一片孕育生命的樂土？

來源：NASA

那麼，現在的問題就是：那時的火星呢？在相似的環境下，當時的火星有沒有孕育出生命的奇蹟？

至少，我們今天可以確定的一點是，那時候的火星上已經出現了複雜的有機物。（微信公眾號：星空早知道）

編者按：

《天文史上的今天》欄目是老嚴的一次個人歷險，試圖通過堅持365天，完整記錄一年中每一個日子在人類漫長的天文歷史中留下的印記。

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