前沿速報||好奇號發現火星遠古有機物，我們離發現生命還有多遠？

06-30

來自專欄相期邈雲漢

出品：科普中國 @中國科普博覽

製作：haibaraemily

監製：中國科學院計算機網路信息中心

太長不看版：

地球之外的其他天體上存在生命嗎？

我們在宇宙中孤獨嗎？

自人類開始探索宇宙以來，探索生命的痕迹就是我們孜孜以求的重要目標之一。外星人和外星生物，一直是大量科幻小說的主題。

人們曾經想像月亮里居住著嫦娥玉兔，想像地球上看不見的月球背面有外星人的基地；

人們曾經想像和地球大小質量差不多，距離太陽距離也差不多的金星一定有著非常適宜生命居住的環境；

人們曾經想像火星上有高等生命修建的遍布全球的河道，可以灌溉整個火星……

然而，這些幻想在探測器時代來臨之後都一一破滅了。

至少，在人類目前的探測範圍內，並沒有找到像我們一樣的高等智慧生命。

那麼如果只是生命呢？畢竟，在地球的46億年歷史中，人類不過存在了幾百萬年而已，而微生物卻已經存在了三十五億年以上了。

太陽系中還有其他星球上有生命存在嗎？

很不幸，人類目前只能局限於自己對碳基生命的認知。於是人類把對「生命」這種形態的探索，濃縮為了對液態水和有機物的搜尋。

火星上存在生命嗎？至少，火星上曾經存在過生命嗎？理論上來說，這是很有可能的。畢竟遠古的火星遠不像今天那樣寒冷乾燥，而是很可能有磁場和大氣層保護，有活躍的地質活動，有豐沛的液態水——那麼，如果在35億年前的地球上誕生了微生物，為什麼同樣氣候適宜的火星不會呢？

6月8日，《科學》雜誌發表兩篇論文，通過好奇號火星車五年多來收集的探測數據，給出了更加確鑿的有機物存在和變化的證據(Eigenbrodeet al., 2018; Webster et al., 2018)。

這能證明火星有生命嗎？

1、海盜號的嘗試

早在1976年登陸火星的海盜1號和2號就試圖尋找答案。兩艘海盜號都攜帶了四件專門用於搜尋火星上的有機物的科學儀器：氣相色譜-質譜儀（GC-MS）、氣體交換實驗儀（GEX）、熱解釋放實驗儀（PR）和標記釋放實驗儀（LR）。

海盜1號和2號用於探測有機物的科學儀器。來源：NASA

然而，氣相色譜-質譜儀（GC-MS）、氣體交換實驗儀（GEX）和熱解釋放實驗儀（PR）在搜尋了火星土壤和大氣之後一無所獲。這並不令人意外，畢竟火星沒有臭氧層，劇烈的紫外輻射應當會消滅表面所有的有機物。

但標記釋放實驗儀（LR）似乎探測到了一些有機物的代謝產物，雖然這個結果並沒有被廣泛採信，因為GC-MS和GEX的結果顯然更為可靠，尤其是當2008年鳳凰號著陸器在火星土壤中發現了高氯酸鹽這種強氧化劑之後。也就是說，這些產物很可能僅僅是無機物被火星土壤氧化產生的。

不過，也有一些科學家認為，之所以GC-MS沒有探測到有機物，是因為LR可以探測到極其微量的產物而GC-MS沒有這麼敏感；還有一些科學家認為，沒有檢測到土壤中的有機物正是因為這些有機物被高氯酸鹽之類的強氧化劑分解了，證據是後來對海盜號樣本的重新分析中探測到了氯甲烷和二氯甲烷，這是有機物被高氯酸鹽分解的常見副產品(Navarro‐Gonzálezet al., 2010) ，但這些氯甲烷含量太過微弱，似乎也不足以採信。

2、希望之星好奇號

然而，火星畢竟還是人類的希望之地，畢竟海盜號是當時人類第一/二艘成功著陸火星並進行科學探測的探測器，在蘇聯的幾次迷之著陸失敗的陰影之下，安全著陸才是第一要務，對著陸點是不是肥沃豐饒的有機物富集地就沒那麼高要求了。

也就不難理解，當2012年8月，好奇號火星車著陸在了火星赤道附近一個叫做蓋爾環形山的隕石坑中時，地球上的人們有多麼興奮——這個窪地形成於約35億年前，此後一度是一個古老的湖泊。再後來，隨著火星變得乾燥，湖裡的水也慢慢乾涸，只剩下散布著泥岩和各種沉積地貌的河床——這裡被認為是很可能發現古老有機物甚至生命痕迹的風水寶地。

而且，好奇號火星車要厲害得多。它是個打鑽小能手，不再局限於火星表層的物質，而是可以通過打鑽來測量火星表層以下幾厘米深處埋藏的物質。好奇號還帶來了更先進的測量儀器：它攜帶了一套強大的有機物探測裝置，叫做火星樣本分析儀（Sample Analysis at Mars，簡稱SAM），這是整個好奇號火星車上占體積最大，設計最複雜的儀器。

火星樣本分析儀SAM及其內部儀器。來源：NASA

人們想必對好奇號寄予了太多期待，以至於在好奇號剛剛著陸不久的2012年11月底，NASA甚至要嚴肅闢謠：

目前所有對好奇號新發現的謠言和猜測都是錯誤的。
截止到目前為止，好奇號還並沒有發現任何火星有機物的證據。

NASA於2012年11月底發出的闢謠聲明。來源：NASA

不過，好奇號也確實探測到過一些簡單有機物，除了火星大氣中常見的甲烷之外，還在火星一處叫做Cumberland的泥岩（好奇號在2013年5月經過）中探測到過含有2到4個碳原子的二氯烷烴甚至含有6個碳原子的氯苯(Freissinetet al., 2015)，但這些有機物的含量也不高，偶有發現的更複雜一點、含碳數目更高的有機物含量就更低了。

而含量更高、更確鑿的有機物富集地，之前一直沒有發現。

3、噻吩類、芳香族和脂肪族有機物的確鑿證據

雖然NASA剛剛修好了自2016年12月起就不能打洞了的鑽孔，並又成功完成了一次鑽孔採樣，但這次的結果卻和最近那次採樣沒有一點兒關係——這次是從2014年9月（Confidence Hills）和2015年1月（Mojave）的兩次鑽孔採樣中發現這些有機物的。兩處鑽孔採樣的Confidence Hills和Mojave泥岩都位於穆雷構造一帶，這一區域富含河流三角洲沉積物，更可能有豐富的有機物，也更可能較好地保存古老的有機物。

本次從Confidence Hills和Mojave兩處泥岩中發現了豐富的噻吩、芳香族和脂肪族有機物，之前在Cumberland也發現過少量二氯烷烴和氯苯。修改自：NASA

在加熱到500-820℃後，逸出氣體分析（EGA）顯示出Confidence Hills和Mojave樣本的熱分解產物中含有多種噻吩（C4H4S）類和其他芳香族、脂肪族有機物，更重要的是，本次探測到的有機物總量是之前探測到的一百倍以上。

噻吩的結構。來源：NASA

SAM的逸出氣體分析（EGA）顯示的Mojave樣本的熱分解產物，含有多種噻吩類和其他芳香族、脂肪族有機物。來源：Eigenbrodeet al. (2018)

氣相色譜-質譜儀（GC-QMS）的進一步分析結果再次確認了ConfidenceHills和Mojave兩處泥岩樣品中含有多種噻吩（C4H4S）類有機物，含量顯著高於作為對比組的Cumberland樣本。

SAM氣相色譜-質譜儀（GC-QMS）顯示的Mojave樣本的熱分解產物，含有多種噻吩類有機物，而作為對比組的Cumberland樣本中則幾乎沒有。改編自：Eigenbrodeet al. (2018)

要知道，好奇號的SAM並不能直接探測有機分子的成分，而是必須通過高溫氣化，複雜的長鏈有機物會在這一過程中發生分解，也就是說，可以相信，實際的有機物成分應當比探測到的碳鏈更長、更為複雜。EGA的分析顯示樣本的熱分解產物中似乎還有含氮和含氧有機物，表明樣本中甚至可能有含氨基、羧基、羰基等基團的複雜有機物。

為什麼在穆雷構造一帶發現了遠高於之前Cumberland一帶的有機物含量？可能的解釋有很多，比如其他區域的有機物本身就更匱乏；或者這裡的有機物暴露出來的時間更短，受到的破壞更少；也可能是這裡的環境酸性程度不強，有機物不容易被氧化……但有機物的硫化可能是最主要的原因，因為本次研究區域的總體硫含量是之前火星其他泥岩樣本中的3-10倍。這一硫化過程可能發生於30多億年前火星早期的成岩作用時期，而硫化之後的有機物會變得更耐分解。

但這些有機物到底是怎麼來的？微生物作用當然是一種可能的原因，而且是我們人類最希望的一種原因。想像一下火星地下有類似石油或者煤這樣的由遠古的微生物甚至更高等的生物參與形成的物質，是一件多麼激動人心的事！隨著火星環境變得惡劣，曾經的微生物可能會滅絕，以各種形式的殘骸保留下來，甚至會不會有一部分微生物轉向地下，在地下一定深度的土壤和岩石縫隙中繼續生息繁衍呢？

然而不可否認的是，其他一些地質過程，例如火山作用或者水熱反應，也一樣可能形成類似的有機物，而另一種可能性，彗星和小行星的撞擊，也非常可能給火星帶來這些有機物。

但至少，僅僅在地下幾厘米深的地方就有如此豐富的有機物存在，這最起碼錶明即使在如此嚴酷的環境下，火星上也有大量有機物存在。

4、火星背景甲烷的季節性變化

本期《科學》雜誌的另一篇論文，介紹了好奇號長達五年多的火星大氣甲烷含量的跟蹤測量結果。

火星大氣中的主要成分是二氧化碳，但人們早就知道火星大氣中有微量的甲烷，不管是地基望遠鏡，還是探測器的光譜測量，都明確證實了這一點。只不過，這些甲烷的含量變化莫測，似乎完全沒有規律可循。

直到這次，好奇號通過長達五年多的跟蹤觀測，加上更精密的測量方法，才終於找到了火星甲烷的變化規律。

好奇號對火星甲烷含量的觀測通過火星樣本分析儀SAM中的激光光譜儀（TLS）來完成。為了提高觀測的可靠性，好奇號這次採用了一種叫做enrichment ingest的方法，這種方法可以更有效地濾掉二氧化碳和水蒸氣的干擾，相比於之前的direct ingest方法，測量不確定性被大大降低了。

測量結果在跨度達3個火星年（約6個地球年）期間顯示出明顯的季節變化，甲烷含量在夏秋之際達到最大，而之前和之後都顯著減小。

火星大氣中背景甲烷含量，不同的顏色表示來自不同火星年（1個火星年約等於2個地球年）的觀測數據，ppbv表示體積的十億分之一。來源：Webster etal. (2018)

另一方面，這次的測量值整體變化幅度顯著小於之前的觀測值，可以認為這次的測量結果體現了火星大氣中甲烷原本的變化規律，也就是所謂的背景甲烷含量，或者本底值，而之前觀測到的無規律的甲烷含量變化，可能是由於區域性的甲烷爆發引起的偶發性異常尖峰。

方塊表示的是direct ingest方法測量的火星大氣中甲烷含量，不同的顏色表示來自不同火星年的觀測數據，明顯可以看到這些測量數據誤差更大，變化幅度也更大，而且沒有任何的季節性變化規律，這可能是由於區域性的甲烷爆發引起的偶發性異常尖峰而不是火星本身的甲烷變化。來源：Websteret al. (2018)。

那麼火星的背景甲烷含量的周期性變化是由什麼引起的？文章通過理論計算排除了表面氣壓的年際變化變化和撞擊帶來的有機物影響，認為可能和大氣中的水蒸氣或者與表面溫度有關的一些過程有關。這種過程的可能是生物引起的，事實上，地球上大部分甲烷都是生命活動生成的，但地質作用也是可能的原因，例如地下的裂隙或者岩石中貯藏的有機物。

可以說，目前的發現只能證明火星上很可能廣泛存在有機物，但還遠遠不能說是發現了生命的痕迹。

或者說，這些證據還不夠給力。

那麼什麼樣的證據更加給力呢？

火星隕石似乎給出了一點線索。

5、火星隕石的啟示

火星隕石中似乎也有發現過有機物甚至微生物的痕迹，例如發現於南極的ALH84001隕石(McKay et al., 1996; Jull et al., 1998; Bada et al., 1998)，但這顆古老的隕石已經在地球上靜靜沉睡了一萬多年了，焉知不是受到了地球上有機物的污染？（怎麼知道一顆隕石是火星隕石的看這裡：如何推斷出隕石來自於哪個星球？）

火星隕石ALH84001它在電子顯微鏡下的疑似微生物化石的結構。來源：NASA

發現於摩洛哥的Tissint隕石更靠譜一些，而且，結果簡直，不要太給力。

這是人類少有的目擊到降落過程並且迅速尋找到的火星隕石，可以認為是幾乎沒有受到地球「污染」的。

在Tissint隕石里，科學家們發現了充填於裂隙和封裝在熔脈（岩石高溫熔融後形成的結構）中的大分子複雜有機物(Lin et al., 2014)。

Tissint隕石的一塊。來源：中國科學院地質與地球物理研究所

Tissint隕石中的有機碳，充填於裂隙(a-b)和包裹在衝擊熔脈(c-e)之中。來源：Lin et al. (2014)

更準確的說，是一種叫做生油母質，或者地質學上稱作「乾酪根」的大分子複雜有機物。地球上的生油母質，是埋藏在地下的生物經過高溫高壓作用後形成的一種類似石油、煤這樣的有機物，經過一定的加工處理可以直接生成油氣的那種。

生油母質（kerogen）的典型形成位置。來源：http://www.qer.com.au

還能再給力點嗎？

可以。

研究還發現Tissint隕石中 $^{13}C$ 同位素的含量比例略低於火星大氣中 $CO_2$ 的 $^{13}C$ 同位素的含量比例 (Lin et al., 2014)，和地球上的石油、煤等與生物有關的有機物沉積中的比例相當，這意味著Tissint隕石中有更多較輕的 $^{12}C$ ——這在地球上是非常顯著的生物活動指標，因為地球上的一切生命活動都明顯傾向於富集更輕的 $^{12}C$ ，包括植物的光合作用，有機物在地層里的演化，有機物形成石油和天然氣等；而富集 $^{13}C$ 的活動則幾乎都是非生命活動，比如海洋里碳酸鈣的沉澱，地幔里碳元素轉變為鑽石等。

（左）Tissint隕石的一部分，來源：維基；（右）Tissint隕石的13C同位素的含量比例低於火星的二氧化碳，這很可能是因為生物活動會產生更多較輕的12C，改編自：Lin et al. (2014)

可以說，岩石樣本中的C同位素比例才是更實錘的證據，但好奇號目前為止還沒有提供這樣的數據，雖然SAM具備測量較輕的元素（至少可以測到K，參見Measuring the Age of a Rock on Mars ）同位素比例的能力。或許是因為樣本中有機物含量還不夠，也或許是確實還沒有從樣本中發現更多的輕碳——即使真的沒有發現，也是可以理解的，畢竟火星隕石是從火星地下深處被挖掘出來的，體現的也應該是火星深埋在地下的，非常古老的生命活動（如果有），而好奇號只能在表面幾厘米挖一挖，這麼淺的地方能多大程度地保存生命活動的痕迹呢？

那麼，這麼給力的火星隕石可以算數嗎？

對很多地球的地質學工作者們（比如 @雲舞空城）來說，ta們已經基本信了。但從行星科學家的角度來說，再新鮮的隕石，從它撞擊產生，到因為各種原因落入地球，其中還是經過了太多不可知的過程，必須謹慎再謹慎。就像早在2002年，火星奧德賽號軌道器就已經通過伽馬射線光譜儀GRS在火星上探測到了氫的存在，但最終認定火星的極區地下存在水冰，還是要等到2008年鳳凰號親自挖到才算。

眼見為實，挖到才算。

直到有一天，火星車的實地採樣分析或者採樣返回分析中發現了這些與生命直接相關的證據，比如樣本中更高比例的輕碳 $^{12}C$ ，或者石油類有機物，或者含有12個以上且為偶數個碳原子的長鏈有機物，甚至微生物的化石痕迹……那時候，才能算是在火星發現了生命可能（曾經）存在的證據。

好奇號對火星生命的探索還遠遠沒有停止。在過去的六年里，好奇號行走在這片古河床中：從黃刀灣、帕朗山、柏瑞哲盆地、穆雷孤峰行至薇拉·魯賓山脊…事實上，這次對鑽孔採樣的分析才只用到了前三年的測量結果而已，在那之後，好奇號還經過了更多可能富含有機物的地方。接下來，它還繼續向這場探險之旅最重要的目的地——高達5000米的夏普峰攀登。

好奇號在蓋爾環形山中的行進路線。蓋爾環形山的中央峰夏普山（Mount Sharp，後被正式命名為伊奧利亞山Aeolis Mons），是好奇號的目的地。(Voosen, Science, 2017)

而好奇號的繼任們，NASA的Mars2020和歐空局的ExoMars火星車已經整裝待發，靜候下一個火星發射窗口。將來的火星車，可以打更深的洞（據說可以深達2米），還可能採樣返回地球，進行更細緻深入的分析。

停是不可能停的，還要繼續挖，挖更深。

拓展閱讀：

2017年的好奇號——出走五年，依然懷抱利器！

NASA好奇號火星車新進展：時隔一年半重啟鑽孔採樣

haibaraemily：如何推斷出隕石來自於哪個星球？

致謝

本文感謝我親愛的審稿群小夥伴們~

這篇在 @雲舞空城的建議下首次在公眾號版和知乎版用了不同的邏輯線來寫，個人覺得知乎這個版本更「樂觀」一些……

所以想看另一條邏輯線的可以去我的公眾號「永結無情游相期邈雲漢」（haibaraemily_planets）～

參考文獻

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Viking_lander_biological_experiments
Eigenbrode, J. L., Summons, R. E., Steele, A, (2018). Organic matter preserved in 3-billion-year-old mudstones at Gale crater, Mars. Science, 360, 1096-1101.
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Jull, A. J. T., Courtney, C., Jeffrey, D. A.,& Beck, J. W. (1998). Isotopic evidence for a terrestrial source of organiccompounds found in Martian meteorites Allan Hills 84001 and Elephant Moraine79001. Science, 279(5349), 366-369.
Freissinet, C., Glavin, D. P., Mahaffy, P. R.,Miller, K. E., Eigenbrode, J. L., Summons, R. E., ... & Franz, H. B.(2015). Organic molecules in the sheepbed mudstone, gale crater, mars. Journalof Geophysical Research: Planets, 120(3), 495-514.
Voosen, P. (2017). Mars rover steps up hunt formolecular signs of life. Science, 355(6324), 444-445.
Lin, Y., El Goresy, A., Hu, S., Zhang, J.,Gillet, P., Xu, Y., ... & Xu, L. (2014). NanoSIMS analysis of organiccarbon from the Tissint Martian meteorite: Evidence for the past existence ofsubsurface organic‐bearing fluids on Mars. Meteoritics & PlanetaryScience, 49(12), 2201-2218.
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https://www.space.com/40823-life-on-mars-organic-methane.html?utm_source=notification
https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7154
https://www.jpl.nasa.gov/spaceimages/details.php?id=PIA22328
http://www.planetary.org/blogs/emily-lakdawalla/2012/curiosity-instrument-sam.html
雲舞空城 - 發現高濃度甲烷和在隕石中發現輕碳同位素相比，哪個更能證明火星存在生命？
雲舞空城 - 在我們的太陽系裡，除了地球以外，還有那顆行星有原油儲存？
火星生命證據，或許就在我們手中 | 科學人 | 果殼網科技有意思
http://www.qer.com.au/about-oil-shale/what-kerogen-shale

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