来自火星的生命痕迹

李山

2009年12月13日09:26  来源:《科技日报》

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 图为勇气号火星车模拟图
 图为计划2018年登陆火星的欧洲ExoMars火星车模拟图
图为火星陨石中发现的碳酸盐小球
图为地球上的趋磁细菌
 火星陨石AHL84001 


  2009年11月30日,美国宇航局(NASA)发布消息称,利用高分辨率电子显微镜对火星陨石“艾伦—希尔斯84001”做出的最新分析显示,这块陨石晶体结构中的大约25%确实是由细菌形成的。这一最新结论提供了迄今为止火星曾存在生命的最有力证据。“来自火星的生命痕迹”又一次引起了全世界的关注。

  为什么关注火星

  科学家们一直认为,生命的起源跟演化是宇宙中的普遍现象,浩瀚宇宙中不应该仅有孤单的地球生命存在。带着开展不同生命和文明的比较学习、研究生命起源等渴望,科学家们一直在孜孜不倦地寻找着地外生命,而火星就是那个最有可能发现它们的地方。

  1976年,美国宇航局的“海盗1”号和“海盗2”号探测器成功着陆火星,但却没有发现任何有机化合物和生命的迹象,这给期望找到“火星人”的科学家们泼了一瓢冷水,人类探索火星的热情顿时减弱不少。而其后近20年时间里,美国没有再发射新的火星探测器。直到1996年,NASA宣布在来自于火星的陨石“艾伦—希尔斯84001”中发现含有火星细菌化石的证据,火星生命才又一次引起人们的兴趣。时任美国总统的克林顿甚至在一次演讲中说:“它(陨石)说明可能有火星生命的存在。如果这个发现最终被证明是真实的,这将会是人类对宇宙最辉煌的发现。”

  尽管存在争议,这个唯一的地外生命痕迹仍激起了人们的无限遐想,科学家的目光也都汇集到了这个遥远的星球上。不过就人类目前的认识水平而言,有机物和水构成的一个或多个细胞组成的一类具有稳定的物质和能量代谢现象、能回应刺激、能进自我复制(繁殖)的半开放物质系统才能称之为生命。换句话说,鉴别火星生命只能通过类比地球生命的方式提出,因为这是我们知道的唯一的生命形式。而在人类目前探测能力范围内,也的确只有火星的条件与地球最为接近。

  火星是距离地球最近的行星,在椭圆轨道上绕日公转。火星公转一周相当于地球的两年,自转一周和地球一昼夜差不多。火星和地球一样是硅酸盐星球,内部也有核、幔、壳的结构。火星两极被二氧化碳组成的白色冰帽覆盖。火星上还有大气圈,水圈和一年四季的气候变化。尽管火星气压仅为地球的1%,大气也比地球的稀薄,且其中95.3%是二氧化碳,但其中还是有氮气和数量极少的氧和水汽的存在。

  科学家们认为,早期的火星有着可供生命开始的条件和材料。即使到了今天,火星上有的地方仍是“可生存”的。根据登陆火星的探测器搜集到的资料,科学家们认为,火星在过去是富水的、温暖的和潮湿的,并有厚厚的大气圈,具有可能维持生命的环境。火星大气中还发现了氮气,这对生物的形成也有重要意义。关于火星峡谷的照片也表明曾有大量的水侵蚀火星表面。近年来科学家们甚至在火星上发现了固态的水。水是生命之源,它不仅是生命化学反应必备的一个要素,更是传送营养、排泄废料必要通道。有固态的水,就有可能找到液态水,进而就有希望找到适合于生命存在的环境。

  如何确认陨石来自火星

  引起全世界极大兴趣的火星陨石“艾伦—希尔斯84001”是美国宇航局、美国国家科学基金会和史密森学会联合组成的南极陨石搜寻计划(ANSMET)小组于1984年12月27日在南极洲艾伦丘陵中发现的。让很多人迷惑不解的是,为什么科学家们能确认这块陨石来自火星?它是如何从火星上飞到地球的?科学家们对此有什么样的证据?要解释这些问题,得从陨石的形成开始。

  太阳系中有无数的大小不等的流星体绕太阳以椭圆轨道运行,而其他天体的摄动或各天体间的碰撞会改变流星体的运行轨道。当流星体与地球相遇时,有可能穿越地球大气层陨落到地面,其残存物质便是陨石。陨石大多数与地球岩石一样,基本由矿物组成。不过陨石含有的矿物质中有一些非常独特,在地球岩石中从未发现。除月球样品和宇宙尘外,陨石是目前可供直接研究的主要地球外物质,可提供大量的宇宙信息。

  地球上大部分的陨石都是由小行星带飞越而來的,科学家们可以通过追踪化学元素等多种方法来追根溯源。由于目前人类已经对月球和火星有了一定的了解,取回了月岩的样品,也发射探测器登陆过火星等等,所以通过对比分析等方法可以确认其中极少数陨石來自于月球或者火星。

  对于火星陨石的确认始于1983年,科学家们发现有一类陨石的化学同位素和岩石学的特性符合当时可以参考的火星资料,据此推断这类陨石来自于火星。后来,科学家们又分析了这类陨石中惰性气体的同位素浓度,确认它们与登陆火星的海盗号探测器观测到的火星大气中惰性气体的浓度一致。到了2000年,科学家们再次对比分析所有已知参数,又一次证实了这一结论。

  至于陨石是如何从火星进入太空的,科学家们认为,这可能是小行星等天体撞击火星的结果。已观察到的巨大陨石坑在一定程度上可以说明撞击产生的威力。不过,进入太空的火星岩石,要穿越数亿公里来到地球并不容易。因此,截至2009年10月,在地球上发现的成千上万颗陨石中,科学家们一共才发现了53块来自火星,总重92公斤,仅相当于阿波罗计划中宇航员带回的整个样本量的10%。

  火星陨石被分成无球粒陨石(石质陨石)的三个稀有的群:辉玻无球陨石、辉橄无球陨石和纯橄无球陨石。它们的同位素比率有着一致性,并且和地球上的不同。火星陨石整体被称为SNC群,这个名称衍生自该种陨石最初被发现的地点:印度的Shergotty、埃及的Nakhla和法国的Chassigny。

  陨石中有什么样的生命痕迹

  “艾伦—希尔斯84001”是辉玻无球陨石,属于直辉石岩,由98%粗粒状的斜方辉石和陨玻长石、橄榄石、铬铁矿、二硫化铁、碳酸盐和页硅酸盐组成。通过同位素法和对宇宙射线影响的研究,科学家们认为“艾伦—希尔斯84001”陨石的历史可以追溯到火星形成时的45亿年前,而且它从火星表面脱落后,在宇宙空间漂泊长达1300万年到1600万年,降落在地球上的时间距今也已经有1.3万年。

  通过对这颗陨石长达10多年的研究,科学家们在陨石内部发现了一些与生命有密切关系的痕迹:碳酸盐小球、多环芳香烃(PAHs)和微磁铁矿晶体的存在,并由此推论火星至少在13亿年到36亿年前很可能有生命形态存在。

  首先,科学家们排除了陨石内的痕迹被地球生物污染的可能性。PAHs有机物分子存在于“艾伦—希尔斯84001”陨石内部,其密度大大高于南极冰层中多环芳烃的密度,其他的南极陨石没有多环芳烃,即便人造的污染也只会出现在表面,而且与这些多环芳烃有关的碳酸脂形成于36亿年前,说明有机分子不是陨石在星际旅行过程中附着到陨石上的,也不会来自于地球,应该来自于火星。科学家们分析称,这种比较简单的PAHs有机物分子可能是火星远古时代的微生物腐朽后的产物,它们为一种液体(很可能是水)所携带,并在碳酸盐小球形成时被截获。

  其次,科学家们分析了火星上可能存在过水的证据。科学家们在“艾伦—希尔斯84001”陨石的新鲜破裂面上发现的扁圆形碳酸盐,像压扁的球,直径20毫米到50毫米。由于碳酸盐是遇水结晶的一种无机物,因此,科学家认为,火星水可能从这些火星岩石缝隙中渗透过。这颗红色星球在过去也许曾经有着适合生命生存的条件。

  最后,科学家们发现了微磁铁矿晶体,并认为这是由火星细菌产生的。火星陨石的碳酸盐小球内部富含菱镁矿、菱铁矿及少量碳酸钙、碳酸锰与磷灰石。外面是富铁和富镁互层分布的边缘。富铁环带边缘主要成分为单边长度10纳米到100纳米的磁铁矿与二硫化铁晶体。用高分辨率的透射电镜(TEM)与扫描电镜(SEM)结合能量分散光谱学方法对样品进行分析表明,这些矿石晶体的尺寸、纯度、形态与晶体结构都和由地球上的细菌产生的晶体的特征一样。

  地球上有一种主要分布于土壤、湖泊和海洋等水底污泥的趋磁细菌,它的体内会生成一些微小的磁铁矿晶体,每个只有50纳米到100纳米,而且纯度高于一般由无机作用形成的天然磁铁矿。趋磁细菌会把10个到20个微磁铁矿晶体排成链状,像指南针一样利用地球磁场来感测方向,然后借鞭毛游向对该菌最有利的微氧环境处。因此,这种微磁铁矿晶体就如同生命的签名一样。而科学家在“艾伦—希尔斯84001”陨石内发现的微磁铁矿晶体尺寸也是40纳米到60纳米,还有一些磁铁矿晶体呈链状排列。因此,科学家们认为这是有关火星生命痕迹最令人信服的证据。

  科学界关于陨石研究的争论

  自从1996年宣布这块火星陨石可能有生命痕迹后,科学界关于该项研究的争论就没有停止过。各种支持与反对的观点激烈碰撞,争论的焦点主要集中在碳酸盐球体的形成温度和微磁铁晶体的成因上。反对的科学家认为“艾伦—希尔斯84001”陨石的各种特性可以是非生物成因的。他们进行了很多实验,想论证碳酸盐小球等一系列构造是在高温状态下产生,从而推翻所有对火星生命的推测,因为比照地球生物,高温下火星生物也是无法存活的。支持的科学家则用氧和硫的同位素分析,以及碳酸盐年龄测定等方法来说明碳酸盐低温下形成的可能,以及火星生命存在的可能性。

  而近期美国宇航局科学家的最新研究结果就是想说明,热分解假说不能解释“艾伦—希尔斯84001”陨石中大部分磁铁矿晶体的成因,加热陨石成分的方法不能生成微磁铁晶体。科学家们解释说,纯菱铁矿加热后可以转化为纯磁铁矿,而“艾伦—希尔斯84001”陨石成分中含有碳酸盐嵌入式纯磁铁矿,却没有纯菱铁矿的存在,而且从来没有。科学家们认为“艾伦—希尔斯84001”中磁铁矿成分不是来自于碳酸盐,而来自于另外一个过程。对比地球上的现象,与在“艾伦—希尔斯84001”陨石中磁铁矿成分相同的磁铁矿晶体大多数由超磁细菌制造,因此通过生物模式得到是可行的。科学家们应用最新的高分辨率电子显微镜得到的新分析显示,“艾伦—希尔斯84001”陨石的磁铁矿晶体结构中约有25%是由细菌形成的。

  尽管关于“陨石上是否存在火星生命痕迹”的争论仍在继续,关于“艾伦—希尔斯84001”陨石的研究目前也不能让我们探知更多关于火星生命的秘密,但越来越多的证据表明这个来自火星的样本具有重大的科研价值。科学家们的分析认为,“艾伦—希尔斯84001”陨石中碳酸盐球形成时火星上的温度可能为0摄氏度到80摄氏度,而不是生物无法存在的700摄氏度。假如生命存在于远古时期的火星,那么生命很可能今天仍存在于火星。火星环境的改变不一定会扑灭所有地下微生物的生命。在这方面,地球上微生物抵御恶劣环境的实例可以给火星生命依然存在的推测带来一丝希望。

  继续探索火星的使命

  火星上存在生命的可能性总是那么扣人心弦,但目前还没有任何单个证据可以令人信服地证实地外生命的存在,仅凭落在地球上的一块石头来说明火星上曾有生命存在也似乎有些单薄。因此,近年来人们陆续发射多个探测器登陆火星来寻找新的证据,不过它们的观测和科学家们的研究至今没有给人们一个圆满的答案,反而带来了更多的疑问,引起人们对火星更大的兴趣。

  首先是火星上有水。2008年7月31日,美国宇航局的“凤凰”号火星探测器在火星上加热土壤样本时鉴别出有水蒸气产生,从而确认火星上有水存在。科学家们分析认为火星极地的二氧化碳冰层下可能有水冰。最近还有报道称火星上的水可能以泥浆的形式存在。

  其次是在火星上发现了甲烷。2009年1月15日,美国宇航局的科学家发现火星表面有一层甲烷气体形成的薄雾。而2004年欧洲航天局的“火星快车号”探测器也曾发现过火星上的甲烷迹象。科学家认为,甲烷气体可能是由生活在火星表面数千米之下的微生物所产生,那里的温度或许可以保证液态水的存在。有的人甚至相信,这些“火星生命”如今一定还活着,否则火星的大气中将不可能有持续不断的甲烷。

  为了一探究竟,世界各国陆续规划了探测火星的项目。美国宇航局推出的“火星科学实验室”计划,预计2012年夏季登陆火星,其主要使命是寻找火星上过去和现在是否存在微生物等生命迹象。而多次推迟的欧洲的火星生命探测计划“ExoMars”,其登陆火星的探测器上将载有一个“漫游”机器人,携带一系列研究宇宙生物学的仪器,目的也是探测火星上可能存在的生命。俄罗斯则在2009年7月,成功完成了代号为“火星-500”的长达105天的载人航天地面模拟第二阶段实验,向着人类登陆火星又迈进一步。

  追寻着水、碳、生存环境和生命信号的痕迹,人类一步步走近火星。展望未来,火星地表之下将成为新的探测热点,但继续探索火星的使命仍然将紧紧围绕“火星的生命”。

(责任编辑:刘然)
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