來自火星的生命痕跡

李山

2009年12月13日09:26  來源:《科技日報》

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 圖為勇氣號火星車模擬圖
 圖為計劃2018年登陸火星的歐洲ExoMars火星車模擬圖
圖為火星隕石中發現的碳酸鹽小球
圖為地球上的趨磁細菌
 火星隕石AHL84001 


  2009年11月30日,美國宇航局(NASA)發布消息稱,利用高分辨率電子顯微鏡對火星隕石“艾倫—希爾斯84001”做出的最新分析顯示,這塊隕石晶體結構中的大約25%確實是由細菌形成的。這一最新結論提供了迄今為止火星曾存在生命的最有力証據。“來自火星的生命痕跡”又一次引起了全世界的關注。

  為什麼關注火星

  科學家們一直認為,生命的起源跟演化是宇宙中的普遍現象,浩瀚宇宙中不應該僅有孤單的地球生命存在。帶著開展不同生命和文明的比較學習、研究生命起源等渴望,科學家們一直在孜孜不倦地尋找著地外生命,而火星就是那個最有可能發現它們的地方。

  1976年,美國宇航局的“海盜1”號和“海盜2”號探測器成功著陸火星,但卻沒有發現任何有機化合物和生命的跡象,這給期望找到“火星人”的科學家們潑了一瓢冷水,人類探索火星的熱情頓時減弱不少。而其后近20年時間裡,美國沒有再發射新的火星探測器。直到1996年,NASA宣布在來自於火星的隕石“艾倫—希爾斯84001”中發現含有火星細菌化石的証據,火星生命才又一次引起人們的興趣。時任美國總統的克林頓甚至在一次演講中說:“它(隕石)說明可能有火星生命的存在。如果這個發現最終被証明是真實的,這將會是人類對宇宙最輝煌的發現。”

  盡管存在爭議,這個唯一的地外生命痕跡仍激起了人們的無限遐想,科學家的目光也都匯集到了這個遙遠的星球上。不過就人類目前的認識水平而言,有機物和水構成的一個或多個細胞組成的一類具有穩定的物質和能量代謝現象、能回應刺激、能進自我復制(繁殖)的半開放物質系統才能稱之為生命。換句話說,鑒別火星生命隻能通過類比地球生命的方式提出,因為這是我們知道的唯一的生命形式。而在人類目前探測能力范圍內,也的確隻有火星的條件與地球最為接近。

  火星是距離地球最近的行星,在橢圓軌道上繞日公轉。火星公轉一周相當於地球的兩年,自轉一周和地球一晝夜差不多。火星和地球一樣是硅酸鹽星球,內部也有核、幔、殼的結構。火星兩極被二氧化碳組成的白色冰帽覆蓋。火星上還有大氣圈,水圈和一年四季的氣候變化。盡管火星氣壓僅為地球的1%,大氣也比地球的稀薄,且其中95.3%是二氧化碳,但其中還是有氮氣和數量極少的氧和水汽的存在。

  科學家們認為,早期的火星有著可供生命開始的條件和材料。即使到了今天,火星上有的地方仍是“可生存”的。根據登陸火星的探測器搜集到的資料,科學家們認為,火星在過去是富水的、溫暖的和潮濕的,並有厚厚的大氣圈,具有可能維持生命的環境。火星大氣中還發現了氮氣,這對生物的形成也有重要意義。關於火星峽谷的照片也表明曾有大量的水侵蝕火星表面。近年來科學家們甚至在火星上發現了固態的水。水是生命之源,它不僅是生命化學反應必備的一個要素,更是傳送營養、排泄廢料必要通道。有固態的水,就有可能找到液態水,進而就有希望找到適合於生命存在的環境。

  如何確認隕石來自火星

  引起全世界極大興趣的火星隕石“艾倫—希爾斯84001”是美國宇航局、美國國家科學基金會和史密森學會聯合組成的南極隕石搜尋計劃(ANSMET)小組於1984年12月27日在南極洲艾倫丘陵中發現的。讓很多人迷惑不解的是,為什麼科學家們能確認這塊隕石來自火星?它是如何從火星上飛到地球的?科學家們對此有什麼樣的証據?要解釋這些問題,得從隕石的形成開始。

  太陽系中有無數的大小不等的流星體繞太陽以橢圓軌道運行,而其他天體的攝動或各天體間的碰撞會改變流星體的運行軌道。當流星體與地球相遇時,有可能穿越地球大氣層隕落到地面,其殘存物質便是隕石。隕石大多數與地球岩石一樣,基本由礦物組成。不過隕石含有的礦物質中有一些非常獨特,在地球岩石中從未發現。除月球樣品和宇宙塵外,隕石是目前可供直接研究的主要地球外物質,可提供大量的宇宙信息。

  地球上大部分的隕石都是由小行星帶飛越而來的,科學家們可以通過追蹤化學元素等多種方法來追根溯源。由於目前人類已經對月球和火星有了一定的了解,取回了月岩的樣品,也發射探測器登陸過火星等等,所以通過對比分析等方法可以確認其中極少數隕石來自於月球或者火星。

  對於火星隕石的確認始於1983年,科學家們發現有一類隕石的化學同位素和岩石學的特性符合當時可以參考的火星資料,據此推斷這類隕石來自於火星。后來,科學家們又分析了這類隕石中惰性氣體的同位素濃度,確認它們與登陸火星的海盜號探測器觀測到的火星大氣中惰性氣體的濃度一致。到了2000年,科學家們再次對比分析所有已知參數,又一次証實了這一結論。

  至於隕石是如何從火星進入太空的,科學家們認為,這可能是小行星等天體撞擊火星的結果。已觀察到的巨大隕石坑在一定程度上可以說明撞擊產生的威力。不過,進入太空的火星岩石,要穿越數億公裡來到地球並不容易。因此,截至2009年10月,在地球上發現的成千上萬顆隕石中,科學家們一共才發現了53塊來自火星,總重92公斤,僅相當於阿波羅計劃中宇航員帶回的整個樣本量的10%。

  火星隕石被分成無球粒隕石(石質隕石)的三個稀有的群:輝玻無球隕石、輝橄無球隕石和純橄無球隕石。它們的同位素比率有著一致性,並且和地球上的不同。火星隕石整體被稱為SNC群,這個名稱衍生自該種隕石最初被發現的地點:印度的Shergotty、埃及的Nakhla和法國的Chassigny。

  隕石中有什麼樣的生命痕跡

  “艾倫—希爾斯84001”是輝玻無球隕石,屬於直輝石岩,由98%粗粒狀的斜方輝石和隕玻長石、橄欖石、鉻鐵礦、二硫化鐵、碳酸鹽和頁硅酸鹽組成。通過同位素法和對宇宙射線影響的研究,科學家們認為“艾倫—希爾斯84001”隕石的歷史可以追溯到火星形成時的45億年前,而且它從火星表面脫落后,在宇宙空間漂泊長達1300萬年到1600萬年,降落在地球上的時間距今也已經有1.3萬年。

  通過對這顆隕石長達10多年的研究,科學家們在隕石內部發現了一些與生命有密切關系的痕跡:碳酸鹽小球、多環芳香烴(PAHs)和微磁鐵礦晶體的存在,並由此推論火星至少在13億年到36億年前很可能有生命形態存在。

  首先,科學家們排除了隕石內的痕跡被地球生物污染的可能性。PAHs有機物分子存在於“艾倫—希爾斯84001”隕石內部,其密度大大高於南極冰層中多環芳烴的密度,其他的南極隕石沒有多環芳烴,即便人造的污染也隻會出現在表面,而且與這些多環芳烴有關的碳酸脂形成於36億年前,說明有機分子不是隕石在星際旅行過程中附著到隕石上的,也不會來自於地球,應該來自於火星。科學家們分析稱,這種比較簡單的PAHs有機物分子可能是火星遠古時代的微生物腐朽后的產物,它們為一種液體(很可能是水)所攜帶,並在碳酸鹽小球形成時被截獲。

  其次,科學家們分析了火星上可能存在過水的証據。科學家們在“艾倫—希爾斯84001”隕石的新鮮破裂面上發現的扁圓形碳酸鹽,像壓扁的球,直徑20毫米到50毫米。由於碳酸鹽是遇水結晶的一種無機物,因此,科學家認為,火星水可能從這些火星岩石縫隙中滲透過。這顆紅色星球在過去也許曾經有著適合生命生存的條件。

  最后,科學家們發現了微磁鐵礦晶體,並認為這是由火星細菌產生的。火星隕石的碳酸鹽小球內部富含菱鎂礦、菱鐵礦及少量碳酸鈣、碳酸錳與磷灰石。外面是富鐵和富鎂互層分布的邊緣。富鐵環帶邊緣主要成分為單邊長度10納米到100納米的磁鐵礦與二硫化鐵晶體。用高分辨率的透射電鏡(TEM)與掃描電鏡(SEM)結合能量分散光譜學方法對樣品進行分析表明,這些礦石晶體的尺寸、純度、形態與晶體結構都和由地球上的細菌產生的晶體的特征一樣。

  地球上有一種主要分布於土壤、湖泊和海洋等水底污泥的趨磁細菌,它的體內會生成一些微小的磁鐵礦晶體,每個隻有50納米到100納米,而且純度高於一般由無機作用形成的天然磁鐵礦。趨磁細菌會把10個到20個微磁鐵礦晶體排成鏈狀,像指南針一樣利用地球磁場來感測方向,然后借鞭毛游向對該菌最有利的微氧環境處。因此,這種微磁鐵礦晶體就如同生命的簽名一樣。而科學家在“艾倫—希爾斯84001”隕石內發現的微磁鐵礦晶體尺寸也是40納米到60納米,還有一些磁鐵礦晶體呈鏈狀排列。因此,科學家們認為這是有關火星生命痕跡最令人信服的証據。

  科學界關於隕石研究的爭論

  自從1996年宣布這塊火星隕石可能有生命痕跡后,科學界關於該項研究的爭論就沒有停止過。各種支持與反對的觀點激烈碰撞,爭論的焦點主要集中在碳酸鹽球體的形成溫度和微磁鐵晶體的成因上。反對的科學家認為“艾倫—希爾斯84001”隕石的各種特性可以是非生物成因的。他們進行了很多實驗,想論証碳酸鹽小球等一系列構造是在高溫狀態下產生,從而推翻所有對火星生命的推測,因為比照地球生物,高溫下火星生物也是無法存活的。支持的科學家則用氧和硫的同位素分析,以及碳酸鹽年齡測定等方法來說明碳酸鹽低溫下形成的可能,以及火星生命存在的可能性。

  而近期美國宇航局科學家的最新研究結果就是想說明,熱分解假說不能解釋“艾倫—希爾斯84001”隕石中大部分磁鐵礦晶體的成因,加熱隕石成分的方法不能生成微磁鐵晶體。科學家們解釋說,純菱鐵礦加熱后可以轉化為純磁鐵礦,而“艾倫—希爾斯84001”隕石成分中含有碳酸鹽嵌入式純磁鐵礦,卻沒有純菱鐵礦的存在,而且從來沒有。科學家們認為“艾倫—希爾斯84001”中磁鐵礦成分不是來自於碳酸鹽,而來自於另外一個過程。對比地球上的現象,與在“艾倫—希爾斯84001”隕石中磁鐵礦成分相同的磁鐵礦晶體大多數由超磁細菌制造,因此通過生物模式得到是可行的。科學家們應用最新的高分辨率電子顯微鏡得到的新分析顯示,“艾倫—希爾斯84001”隕石的磁鐵礦晶體結構中約有25%是由細菌形成的。

  盡管關於“隕石上是否存在火星生命痕跡”的爭論仍在繼續,關於“艾倫—希爾斯84001”隕石的研究目前也不能讓我們探知更多關於火星生命的秘密,但越來越多的証據表明這個來自火星的樣本具有重大的科研價值。科學家們的分析認為,“艾倫—希爾斯84001”隕石中碳酸鹽球形成時火星上的溫度可能為0攝氏度到80攝氏度,而不是生物無法存在的700攝氏度。假如生命存在於遠古時期的火星,那麼生命很可能今天仍存在於火星。火星環境的改變不一定會扑滅所有地下微生物的生命。在這方面,地球上微生物抵御惡劣環境的實例可以給火星生命依然存在的推測帶來一絲希望。

  繼續探索火星的使命

  火星上存在生命的可能性總是那麼扣人心弦,但目前還沒有任何單個証據可以令人信服地証實地外生命的存在,僅憑落在地球上的一塊石頭來說明火星上曾有生命存在也似乎有些單薄。因此,近年來人們陸續發射多個探測器登陸火星來尋找新的証據,不過它們的觀測和科學家們的研究至今沒有給人們一個圓滿的答案,反而帶來了更多的疑問,引起人們對火星更大的興趣。

  首先是火星上有水。2008年7月31日,美國宇航局的“鳳凰”號火星探測器在火星上加熱土壤樣本時鑒別出有水蒸氣產生,從而確認火星上有水存在。科學家們分析認為火星極地的二氧化碳冰層下可能有水冰。最近還有報道稱火星上的水可能以泥漿的形式存在。

  其次是在火星上發現了甲烷。2009年1月15日,美國宇航局的科學家發現火星表面有一層甲烷氣體形成的薄霧。而2004年歐洲航天局的“火星快車號”探測器也曾發現過火星上的甲烷跡象。科學家認為,甲烷氣體可能是由生活在火星表面數千米之下的微生物所產生,那裡的溫度或許可以保証液態水的存在。有的人甚至相信,這些“火星生命”如今一定還活著,否則火星的大氣中將不可能有持續不斷的甲烷。

  為了一探究竟,世界各國陸續規劃了探測火星的項目。美國宇航局推出的“火星科學實驗室”計劃,預計2012年夏季登陸火星,其主要使命是尋找火星上過去和現在是否存在微生物等生命跡象。而多次推遲的歐洲的火星生命探測計劃“ExoMars”,其登陸火星的探測器上將載有一個“漫游”機器人,攜帶一系列研究宇宙生物學的儀器,目的也是探測火星上可能存在的生命。俄羅斯則在2009年7月,成功完成了代號為“火星-500”的長達105天的載人航天地面模擬第二階段實驗,向著人類登陸火星又邁進一步。

  追尋著水、碳、生存環境和生命信號的痕跡,人類一步步走近火星。展望未來,火星地表之下將成為新的探測熱點,但繼續探索火星的使命仍然將緊緊圍繞“火星的生命”。

(責任編輯:劉然)
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