“没完没了”的火星生命探寻

Space Exploration - - 太空探索 - 文/ 李晨风

7 月 25日,《科学》杂志公布火星研究新发现——火星南极冰盖下发现20公里宽的液态水体。寻找水,是为了寻找生命。进入宇航时代以来,几乎每过那么一段时间,宇航科学界就会炒作一次“火星上有没有生命”“火星上发现了生命迹象”这样的话题。文艺界也在孜孜不倦地用火星人、火星生命的题材来拍摄一部又一部的电影。科学界这样几十年如一日,没完没了、不知疲倦地讨论火星生命的问题,到底为了什么?

那些谣言、幻想和猜想

早在 17世纪,人们就发现火星极区有冰盖。到了18世纪,天文学家威廉·赫谢尔发现这个冰盖是随季节变化的。19世纪的天文学家们终于精确测算出了火星的尺寸——和地球很接近,连自转周期也差不多。既然火星和地球如此相似,“火星上有没有人”的话题成了一个无法抵挡的诱惑。那么,火星上的阴影部分是水面吗?亮色部分是陆地吗?是不是像地球一样存在着丰富的生命形态?

1854年,一位剑桥大学神学院的教师威廉姆·维维尔宣布,他认为火星上有大海、陆地和生命。虽然他显然误判了火星,但需要知道的是,正是这位维维尔让“科学家”(scientist)这个词汇进入了常用英语之列。19世纪末,科学界爆发了一场寻找火星生命的热潮,人们纷纷用望远镜在火星上寻找生命迹象,并且宣布发现了很多运河。1905年,一名美国天文学家帕西瓦·罗威尔出版了两本书《火星》、《火星及其运河》,言之凿凿地宣布火星运河是一个古文明的遗迹。

这些都不过是早期望远镜光学误差带来的错觉而已,然而却激发了科幻作家们的灵感。英国作家威尔斯在1897年创作了《世界大战》,讲述了火星人因为干旱而逃离火星、入侵地球的故事。这本小说流传甚广,被翻译成多国文字,还衍生出了漫画、电影和不少同类小说。最近一次翻拍是在2005年,由大牌导演斯皮尔伯格执导,大牌影星汤姆·克鲁斯主演。

不过就在那个时代,还是有一部分头脑清醒的人。1894年,美国天文学家坎贝尔通过光谱分析发现,火星大气里没有氧气也没有水蒸汽,不可能存在和地球一样的生命。到1909 年,人们终于发明出了成像更清晰的望远镜,当火星抵达其近日点的时候进行观察, 确认火星运河的说法不过是一场闹剧而已。

然而文艺界对火星人的兴趣却似乎热度不减。特别是当上世纪60 年代人类进入航天时代以后,宇航主题的电影开始爆发。1963年,一部影响深远 的美剧《火星叔叔马丁》开播,整整拍了 107 集。1999年该剧重拍,不过热度远不如第一版。这部电影中的火星人马丁和蔼、亲切,兴致勃勃地融入了地球生活。1996年的《火星人玩转地球》就完全不同了,无数心肠狠辣的火星小

绿人坐着透明飞船入侵地球,摧毁了地球上的军队和政府,最后却被流行音乐的重低音干掉了。

2012年,又一部火星人科幻电影《火星公主》(也译为《异星战场》)上线,这次是美国骑兵军官介入了火星上的战争,虽然道具和特效极其出色,演员也相当卖力,但故事情节没什么创意——它其实是把描述印第安人战争的电影《与狼共舞》搬到了火星上,所以毫不意外地成为票房毒药,时任迪士尼制片厂主席里奇·罗斯因此引咎辞职。

在所有关于外星人的猜想中,火星人占的比例最高。这其实反应了人类自身对于那颗红色星球的兴趣和欲望。事实上,不存在的火星人不会侵略地球,地球人倒是对火星跃跃欲试了。

火星上以前有生命吗

在数十年间,NASA执行了多次任务来寻找火星上是不是曾经有生命。最终的目标,是判定火星环境能不能支持生命存在。

地球生命是以水为基础的,哪怕是生活在暗无天日的海底、洞穴中的生 命,也离不开水。而且,并不是说有一点点水就可以,否则彗星上也会存在生命了。如果火星上曾经有生命,哪怕是只有短暂的历史时期,也意味着有大量的水来支撑生命存在,而且这些水还必须是液态的、相对稳定的,并且暴露在火星表面。人类的探测器在火星上已经发现了一些地方,可能曾经是温泉所在地。“火星全球勘测者”发现,火星上有那么几个地方,浅地表下可能存在过水。但是到目前为止,火星上确认水的地方只是两极,而且是冰冻的水。

生命不仅仅是水,生命还需要实现能量循环。在地球上,植物一般通过光合作用来是实现能量循环,动物一般则通过氧化还原来实现能量循环。但是,无论动植物都离不开有机物。那么,在火星上,有没有可能实现这样的能量循环呢?所以,各种火星探测器几乎都把搜寻有机物的痕迹作为主要任务之一。

我们常说有机物是碳水化合物,那么除了水,生命的另一个要素就是碳。当然外星生命未必以碳为基础,但如果 一个星球上富含碳元素,那么会与地球多少有点相似性。

在这个问题上,火星还是有好消息的。火星大气的主要成分是二氧化碳,虽然极为稀薄,但毕竟有碳存在。现在的问题就是,这些二氧化碳是怎么来的。如果是水和大气之间化学反应的结果,那就意味着远古火星是有可能存在生命的。在地球上,我们可以通过挖掘化石的办法来感知古生物。如果火星上存在古生物,理论上说也会留下化石,毕竟火星上寒冷干燥,也没有大规模的人类活动破坏化石。根据人类到目前为止的观测,火星表面有三分之二的区域,在最近的35亿年里都没有发生过变化,有多少化石都能保存下来。不过需要知道的是,人类也是在漫长历史发展中,逐步发现和认识到化石的意义。一代代考古学家孜孜不倦地在野外求索,才基本摸清了古生物发展的脉络。但是在火星上,仅仅依靠有限的几个着陆器和漫游车,靠小范围的有限深度挖掘,发现化石的概率实在是太低了。或许,人们

需要发明一些更加高效、作用范围更大的古生物考古手段。

人们推测,在30多亿年前的温暖时期,海洋的面积一度占到火星表面积的36%~75%。这么多水不可能无端消失。NASA 在 2016年的发现证明了这一点,他们在火星乌托邦平原的土壤下发现了大量水冰,预测水量大约相当于美国和加拿大之间的苏必利尔湖。如果这个预测是准确的,那么确实可以用来支撑一个火星居民点了。

就在猜测之中,超期服役的“勇气”号火星车给人们带来了新的发现。在运行了数年之后,它的一个轮子就坏了,只能拖着这个轮子勉强在火星上爬行。但是在 2007 年 5月,这个坏轮子却意外地刮开浮土,暴露出了一片硅含量超过 90%的地面。这意味着曾经有热泉水或者蒸汽在火山岩上冲刷过。科学家们认为,这或许可以证明,火星的环境曾经是适于微生物的。但是这些微生物去哪里了呢?

科学家们提出了一种可能性,在远古时代的诺亚纪晚期(35亿年前),火星的部分地区因为小行星撞击或者火山活动,部分地区的温度升高到了冰点 以上,于是出现了地表液态水流。温度较高的水流对岩石产生了加热效应,可以留下明显的痕迹。根据地球上的考古和地质研究,直径130公里的小行星撞击坑可以产生持续200万年的水加热效应,完全可以产生微生物了。人们在火星表面观察到的水流痕迹,应该就是这种水加热效应带来的。但是这样的效应并没有在火星上持续下去,在所谓的赫斯伯利亚纪中期,火星上的宜居性就开始消退,哪怕此前产生过生命,这个时期也灭绝了。至少,火星表面从此一片死寂。

微妙而充满诱惑的甲烷

甲烷是最简单的有机物,也是最重要的生命迹象之一。在很多动物——包括人类——的肠道气体中,都存在着甲烷。许多火星生命研究项目都是以甲烷为对象。早在2003年,人们就在地球上用望远镜发现火星大气中可能有甲烷。2004年,欧空局发射的“火星快车”轨道器证明了确实如此。

甲烷并不是一种很稳定的气体,小行星撞击可能只贡献了火星甲烷总数 量的0.8%。如果人们能持续观察到甲烷,那就意味着一定有某个稳定的源头在不断产生甲烷。根据观察到的数量,人们估计火星每年至少要产生270 吨甲烷。火星大气中的二氧化碳与岩浆发生反应的过程也可能会产生甲烷,也就是所谓的蛇纹岩化。另外,火山活动和温泉喷射同样能产生甲烷。但是,这几种过程在最近的几十亿年里,都不曾发生在火星上。还有人提出,陨星在穿越火星大气层的时候,表面的有机物被紫外线照射,其化学反应也会产生甲烷。但 2009年的一项研究排除了这种可能性。

因此,火星上那么多甲烷是从哪里来的,引发了人们越来越强烈的兴趣。在地球上,有一些叫做产甲烷菌的厌氧菌,是一类能够将无机或有机化合物厌氧发酵转化成甲烷的古细菌。它的存在并不需要氧气或者有机养料,甚至不需要光合作用。它们把氢作为能量来源,以二氧化碳作为碳的来源。如果是火星微生物在产生甲烷,那么它必然生活在地表以下很深的地方,这里应该还存在着液态水。

2003年人们发现火星上存在甲烷后,一些科学家设计了试验模型来模拟火星土壤,设法让厌氧菌在其中生长。 4种产甲烷菌的试验模式都产生了数量可观的甲烷,其中一种模式甚至是在含有高氯酸盐的土壤中完成的。这意味着“凤凰号”的发现并不能否定火星上存在着产甲烷菌。

2005年,欧空局的“火星快车”轨道器通过所携带的“火星傅里叶波谱仪”,发现在火星大气中存在着甲醛。项目负责人认为,这些甲醛是甲烷氧化的结果,因此火星上必然存在着微生物的栖息地。不过NASA的科学家们当时还不敢下这样的结论。

2016 年 3月发射的 Exomars 计划中的“痕量气体探测器”(TGO)轨道器, 在 2018 年 4月发布了所测量和绘制的火星大气甲烷地图,地图中还体现了甲烷分解的产物:甲醛与甲醇。

还有科学家认为,火星上甲烷的产生和消失,都是由不同类型微生物导致的。这样的观点得到了阿肯色州大学一项研究的支持。2015年,该校科研人员发现,有四种产甲烷菌可以在火星的低气压下生存,它们的名字相当古怪,其中三种甚至没有中文译名,分别叫做 Methanothermobacter wolfeii,methanosarcina barkeri 和Methanobacterium formicicum, 唯一有中文名字的叫做海藻甲烷球菌。

科学家们还测定了火星上氢气和甲烷的比例,其结果意味着火星上的产甲烷菌不但存在,而且是活的。

“好奇号”漫游车登陆火星之后,它强大的科学设备使人们能够分辨出各种甲烷同位素。它携带的可调谐激光光谱仪发现,着陆地点的甲烷浓度不超过5ppb。经过一段时间的观测,到2013年,NASA宣布着陆地点的甲烷体积浓度不超过1.3ppbv,不能证明生命存在。然而到了 2014年,“好奇号”发现了一个“十倍尖峰”,当时测量到的甲烷浓度比背景浓度高了10倍以上,平均甲烷浓度达到7ppb。这说明火星上的甲烷是间断产生的。然而“好奇号”的钻探能力有限,虽然发现了甲烷浓度的异常变化,也无法深挖土壤,去找一找火星深处到底有没有生产甲烷的细菌。

在 2018 年 6 月,NASA 宣布,他们发现火星甲烷的季节性变化幅度有三倍之多。这就意味着火星上现在就有某些来源正在产生甲烷,而不是30 亿年前积累下来的。

2018 年6月,NASA还宣布,“好奇号”从一些35亿年寿命的石头里发现了复杂有机物的痕迹,这些石头是从帕伦普丘陵附近的一处干湖里找到的。

所找到的有机物包括含硫噻吩,以及苯和甲苯等芳香族化合物,还有丙烷和丁烯等脂肪族化合物。在地球上,上述有机物往往是石油和天然气的源头。不过, NASA还是不敢下火星上有没有微生物这个结论。

我们才是火星生命!

从现在的情况来看,在火星上找到生命的希望是很渺茫的,即使找到,或许也只是远古的一些微生物残骸。哪怕人们在火星深处找到一些厌氧菌,也没法和它们做什么思想沟通。想找到任何形式的智慧生物,都是不可能的。

但是这并不影响人类终将移居火星的大局。无论火星上有没有生物,有什么类型的生物,人类也一定要成为火星生物的一种。为了维持人类在火星上的生活,我们将带去各种各样其他的生物,包括微生物、植物和动物。在一部叫做《火星生命》的电影里,导演就设 想了这样的一种场景:人类为了改造火星大气,发射了不少无人飞船,在火星上种草。但是这些草被火星上的某种虫子吃光了!当航天员们沮丧地看着自己携带的氧气一点点用完,干脆拉开头盔打算给自己一个痛快,然而迎面而来的却是可以呼吸的空气。原来虫子们吃掉草之后,居然能排出氧气。

如果人类希望有朝一日能在火星上抛掉头盔自由地呼吸,那么或许离不开微生物和各种动植物的帮助。如果人类需要在火星上自力更生,自行解决食物供应问题,那么就更加不可能离开各种从地球上引种而去的动物和植物,以及在火星上自行繁育的新型动植物。

所以,如果在火星上找不到生命也不要紧,人类可以自己改造这片不毛之地,让它成为生命的乐园。前文已经说到,火星的大部分表面有35亿年不曾改变过,考虑到地球和火星的相似性,火星的现在或许为人们提供了一个很好的参照物来理解生命诞生之前的地球, 让我们对于地球生命是如何从无到有这个问题,给出更好、更完善的答案。这个答案或许会给我们指明方向,在火星上创造新的生命。

当然,最重要的火星生命,应该就是人类自己。作为迄今为止唯一的智慧生命,地球、火星和太阳系的未来,显然都取决于人类自身。也许,人类为了成为一个多星球物种,不但要开发更多的技术和装备,也要对人类自身进行一些改造。在最近上映的美国电影《泰坦》中,男主角经过痛苦的基因改造,成为一个能在土星上生存的人。这看起来有点惊悚,但未必不会发生。人类在适应地球环境的过程中,不断发生着微小的变异,积累至今,已经和早期类人猿有了巨大的差异。

那么,当人类成为多星球物种并定居的时候,这样的变异是不是不可阻挡呢?至少,我们要对火星的生命环境进行更多的研究,才能得到答案。★

▲ 1888年的艺术家们凭借想象绘制了火星“水系图”

▲ 1898年,天文学家根据模糊的观察,绘制了火星“运河图”

▲火星北极的冰盖

▲火星叔叔马丁的海报

▲科学家们测算的火星地表水变迁图

▲《异星战场》的海报

▲火星的阿尔加冲击地形附近可能存在过古代生命

“勇气号”的坏轮子意外刮出了一处富含硅质的地表

▲火星全球甲烷浓度分布图,个别地区的甲烷浓度明显比其他地方高

火星上的赤铁矿球粒,看上去是水流作用的结果

“好奇号”发现,火星上的大气浓度在夏秋之间有一个突然上升的现象

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