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从海盗号到好奇号:火星生命探索争论简史

时间:2018-2-26 8:31:15 点击:

  核心提示:国外网站nautil.us近日撰文,简要描述了人类科学家在探索火星生命过程中各种争论的历史。以下为文章主要内容:1976年7月份的某个午夜,在帕萨迪纳市一个闷热的房间里,海盗号火星探测任务成员围坐在一...

国外网站nautil.us近日撰文,简要描述了人类科学家在探索火星生命过程中各种争论的历史。

以下为文章主要内容:

1976年7月份的某个午夜,在帕萨迪纳市一个闷热的房间里,“海盗”号火星探测任务成员围坐在一台庞大的电脑显示器旁边,紧张地等待着世界上第一台成功发射的火星探测着陆器传回的首批数据。

“海盗”号是有史以来第一个专门设计用于探测生命的火星着陆器。在

接下来的几个星期里,“海盗”号的首批生命探测实验向地面的太空操作中心(Space Operations Facility)发回了令人震惊的结果。

寻找生命存在迹象

这些数据显示,当有机化合物添加到火星土壤的时候会释放出二氧化碳,而不是混合物被超高温加热的时候。这恰恰就是生命存在的迹象,而且与地球上的实验结果完全一致。此外,一旦水被添加到火星土壤中,也会释放出氧气,这与地球上情况一样。

“海盗”号在前两项实验中就发现了火星可能存在生命的迹象。第三项实验是加热火星土壤,就像在烤箱里加热食物一样,但这些实验结果好坏参半。

随着第四项实验的矛盾数据传回,在科学家当中的争议更大了。火星上存在生命的说法绝对是史无前例的事情。一旦这些数据出现错误,“海盗”号团队所有成员都难以接受。

然而,世界上大多数人并不知道,“海盗”号着陆器前三项实验的结果可以被解读为阳性的微生物检测结果,而且与地球上的数千次实验结果一样。

研究者帕特里夏·斯特拉特(Patricia Straat)告诉同事吉尔·莱文(Gil Levin):“那就是生命!”

第四项实验采用了一台气相色谱仪和一台质谱仪,用来精确测量分子的大小。但结果发现,火星上不仅没有生命,而且绝对没有有机物的存在。这是个令人震惊的结果:宇宙空间到处都存在有机物,从小行星、彗星、陨石到星际尘埃。不仅如此,这项实验还表明,火星表面是有毒的,或者说能杀灭微生物。

这在“海盗”号任务的科学家产生了激烈的争论,而美国航天局最终决定以审慎的态度来进行解释。根据他们的调查结果,火星表面之所以没有微生物存在,是因为火星土壤中含有强氧化剂,这种特性使得火星表面呈现出红色。“海盗”号发现了一个荒凉而狂风肆虐的红色星球,上面布满了陨石坑,像月球一样寒冷和死寂。

许多参与“海盗”号任务的科学家并不认同这一结论,他们坚持认为第四项实验只是失败了,在地球上也经常出现这种情况。包括莱文在内的一群活跃人士,不断要求美宇航局公布全部的“海盗”号数据。在2016年美宇航局庆祝“海盗”号发射40周年的活动上,莱文再次重申了这一观点。

他预测,“好奇”号(Curiosity)火星探测器会找到更为复杂的有机物,事实也确实如此。在看到“好奇”号探测到甲烷爆发时,莱文指出甲烷的消失发生得太快了,不可能是由紫外辐射引起的,“更有可能是由甲烷氧化菌引起的,它们能利用甲烷,并形成一个完美的小生态循环。

研究结果自相矛盾

其他一些火星探测任务也带来了自相矛盾的结果。美宇航局在二十一世纪初发射了“机遇”号(Opportunity)和“勇气”号(Spirit)火星探测器,它们传回的数据令世界各地数百万人兴奋不已。“机遇”号和“勇气”号是由地质学家和工程师设计和建造的,与生物学家无关。2008年,“凤凰”号(Phoenix)探测器第一次传回了火星上有水存在的证据。该探测器上的相机捕捉到水滴在冰冷的钢制着陆脚架上凝结的清晰画面。

模拟结果给出了两种可能,一是被风吹过来的高氯酸钙颗粒周围有水凝结,这种盐型矿物具有从大气中获取水分的特性;二是“凤凰”号在登陆时搅动了火星表面下的水冰,水冰在脚架上融化并形成水滴。参与这项任务的密歇根大学科学家尼尔顿·伦诺(Nilton Renno)表示,问题的关键在于,“在地球上,有液态水的地方,就会有微生物生命的存在”。在地球上,这种盐水中确实存在微生物。

有趣的是,寻找火星生命证据最好的地方竟然是地球。在冰冻的南极大陆上行走,我们有时会发现一些小石头,而它们正好是来自火星的陨石。事实上,每年有大约10磅(约合4.5千克)的火星陨石落在地球上。如果有巨大的陨石撞击到火星,火星的部分岩石碎块就会摆脱重力的束缚,被抛向茫茫的太空。

作为这颗红色星球最近的邻居,地球的引力会捕获到其中一些石块,而它们会落在地球表面,并且在荒凉并且覆盖冰雪的南极大陆最易被发现。科学家对这些陨石的化学分析结果显示,它们含有与火星大气层相同的气体组合——与许多火星探测器的结果一致,因此可以认定确实来自火星。

从远处看,火星表面存在洪泛平原和冲积盆地,甚至还有干涸的U形河道

1996年,美宇航局研究人员戴夫·麦凯(Dave McKay)及其团队宣称,在南极发现的一块陨石上存在微生物的化石证据。今天很多人觉得这不大可能,但很久以前,的确有大量的液态水流入火星的河流和海洋,这些液体的矿物质遗迹在火星表面上清晰可见——洪泛平原、冲积盆地,甚至还有很早之前就干涸的U字形河道。

早在1877年,意大利天文学家乔凡尼·斯基亚帕雷利(Giovanni Schiaparelli)就通过早期望远镜观测到火星上的巨大裂谷。到19世纪末到20世纪初时,美国亚利桑那州的帕西瓦尔·罗威尔(Percival Lowell)认为他观察到了火星上有随季节变化的河流和植被。实际上,这可能是许多探测器在火星峡谷中拍摄到的清晨薄雾。

科学争论持续升级

美宇航局后来发射的探测器则带来了模棱两可的结果。20世纪60年代的“水手”号探测器曾发现了很确凿的证据,证明稀薄而寒冷的火星大气层并不适合纯液态水的存在,尽管最后一个轨道探测器清晰地拍摄到古代河床和海洋的遗迹。

2010年,亚利桑那大学的一位学生研究了火星轨道探测器拍摄的图像,结果发现火星的山脊顶部会间歇性出现深色的平行条纹,就像季节性流水一样。这名学生将HiRISE的观测结果与火星矿物地图进行了比较。光谱仪在多个地方都观测到了水合盐,最终他和自己的研究团队得出了一个结论,即火星的液态水中含有天然的盐水防冻剂。

后来,美宇航局的研究人员史蒂芬·本纳(Steven Benner)和其他人提出,生命起源于火星,并通过喷出物的形式被带到地球。在美宇航局休斯顿航天中心图书馆里,本纳从40年前获得的“海盗”号资料中找到了相关线索。他的发现带来了“巨大的困惑”。通过对古代微生物DNA的研究,并重新获得它们的基因和蛋白质,本纳希望将地球生命的起源与太阳系中生命存在联系起来。

他还在多篇论文中指出,火星具有“温暖的气温和干湿循环周期”,可以使组成RNA的基础成分以“类似地球的化学形式”凝聚起来。但问题在于,以往许多关于火星生命或火星上存在水的说法都是错误的。然而,许多古老的微生物曾在地球上一些冰冷、碱性的环境中繁衍生息。因此,许多研究人员纷纷前往硫磺洞穴、勘察加半岛上含钼和硼酸盐的温泉,以及黄石国家公园和南极的盐水湖。他们发现的结果徒增烦恼。

美宇航局两位研究人员克里斯·麦凯(Chris McKay)和佩内洛普·波士顿(Penelope Boston)就曾在地球极端环境中搜寻过微生物代谢和起源证据。波士顿以前曾是新墨西哥矿业及科技学院教授,一开始只是在北极研究微生物,后来将搜寻方向转向了地下洞穴。来自加利福尼亚州的埃里森·莫利(Alison Murray)则是在南极洲搜寻极端微生物。

在“好奇”号火星车发射之后,似乎所有人突然之间都对冰层之下的湖泊或平原,或偏僻的洞穴或矿坑中存活的生命产生了兴趣。波士顿曾估计火星上存在微生物生命的可能性约为30%,现在她认为这一可能性正在不断提高。她指出,如果这些微小的生命形式可以存在于极端恶劣的湖泊、洞穴或矿坑环境中,那么火星的地下也有可能存在微生物生命。

内华达州沙漠研究所的生物化学家莫利后来携手路易斯安那州立大学的地球物理学家彼得·多兰(Peter Doran),对南极洲冰层下的盐水湖进行了研究,以了解那里的微生物,并获取古代气候的信息。他们在南极维达湖(Lake Vida)钻取了冰芯,从中发现了各种各样的古菌和细菌。

火星存在微生物生命迹象

这一发现使研究者将重点重新放在了美国西部。加州大学伯克利分校生物学家吉尔·班菲尔德(Jill Banfield)对科罗拉多河及加州铁山(Iron Mountain)一处废弃矿场里的水进行了研究。仅在一处存放矿场废料的地点,她就发现了好几个新的细菌门类。更重要的是,这些此前不为人知的奇特微生物需要依赖其他生物体的群落才能生存。这一结果帮助解释了为什么只有极少的细菌才能在实验室中培养。

在科罗拉多河附近一处含水层,班菲尔德的团队采用了一种寻找生命的新技术,发现了数十个新的细菌门类,从根本上改变了人们对生命树的看法。2016年秋季,班菲尔德的团队在科罗拉多河的一个含水层发现了新的细菌群,这一发现使得地球上已知细菌群的数量翻了一番。班菲尔德还对婴儿肠道中的微生物群落进行了研究。班菲尔德发现带来的另一个惊喜是,新细菌的多样性有将近一半来自一个以往认为只能共生的细菌群。

紧接着,欧道明大学“微生物诱导沉积结构”(MISS)领域的权威人士诺拉·诺夫克(Nora Noffke)又点燃了热门寻找火星生命的热情。在弗吉尼亚州诺福克炎热的夏天里,诺夫克对“好奇”号火探测器拍摄的盖尔撞击坑照片展开了研究。许多人都很熟悉古代微生物遗留物质沉积而成叠层石,但很少有人了解潮汐性微生物席的重要性。

在长达30年的职业生涯里,诺夫克的足迹遍及5个大陆,她研究并归类了超过12种典型的微生物席形状。形似土堆的叠层石在澳大利亚、夏威夷和加勒比地区的海边已经成为游客观赏的景观。诺夫克研究发现,在澳大利亚偏远的内陆地区也存在着微生物诱导沉积结构,而这些结构被视为地球最古老的生命证据之一。

2014年夏天,美宇航局邀请诺夫克在一场会议上做了发言,此次大会主要是为2020年的火星车选择着陆地点。诺夫克在发言中称,如果早期地球和火星相似,那么火星上可能会保存一些微生物诱导的沉积物。与会者当中就包括加州理工学院地球化学家肯·法利(Ken Farley),他的团队刚刚发表了一篇论文,描述了“好奇”号在火星Sheepbed构造中发现的古老泥土结构。

在会议结束以后,法利给诺夫克发送了这张图片,并询问她的想法。在研究了这些拍摄于第126个火星日(即“好奇”号停留在Sheepbed构造的那一天)的图片之后,诺夫克激动万分。这些图片看上去似曾相似。她想,“我先提交一篇假设性文章,看看人们对这种情况怎么说”。

2015年1月,诺夫克发表了一篇研究文论,指出火星存在微生物生命迹象。“好奇”号团队对此反应强烈。一位科学家称,诺夫克看到的东西就好像是“天空中的云”。这个团队还专门创建了一个网站,用以反驳诺夫克的观点。

2014年的甲烷爆发也可能只是来自“好奇”号的污染。不过,甲烷也是古菌等微生物所产生的标志性气体。到了2015年,火星勘测轨道飞行器(Mars Reconnaissance Orbiter)在盖尔撞击坑附近的斜坡上发现流动的盐水,高氯酸盐的存在使其能在低于冰点的温度下保持液态。

争议不断升级。“好奇”号团队称,诺夫克对地质学的认识存在误区。诺夫克回应称:“它现在是一个遭到侵蚀的山坡,但那里曾经是一个湖泊,有着完全不同的远古环境。他们说那是一条像鞭子一样的河流,那是不准确的说法。它其实是一个由缓慢而曲折的河流系统形成的山坡。在地球上,你在这样的地方就能找到微生物群!”

平息争议的唯一办法

唯一能平息解决这种争论的方法就是把人送上火星。这种解决方案的最大挑战是携带足够的燃料,使探测器能在火星表面起飞并返回地球。出于这一考虑,第一步可能是先把人送到火星轨道上。除此之外,美宇航局还计划最早于2030年代将人类送上火星,欧洲和俄罗斯的火星探测计划“ExoMars”则计划在2020年登陆火星,将选择在一处湖床作为着陆地点。

有关盖尔撞击坑盆地有古代微生物活动的进一步证据来自俄勒冈大学,该校地质学家格雷戈里·勒塔拉克(Greg Retallack)指出,盖尔撞击坑土壤中高含量的硫酸盐只能是厌氧细菌在缺氧环境下的产物。在发表于《地质学》杂志的文章中,勒塔拉克写道,研究人员在“好奇”号拍摄的图片中看到一些“水泡状结构”,与地球微生物在雨后产生的水泡类似。

对诺夫克而言,参与大型科学项目的经历和公众对外星生命的迷恋令她“很受伤”。她的论文只是一种假说,而不是完整的论证或主张,但“好奇”号团队的反应让她很意外。不过,“好奇”号团队的确敲定了返回盖尔撞击坑的新行程,在相同的季节回到第一次观测到甲烷爆发的地点。这或许表明,这项研究已经有了越来越广泛的群众基础,其中就包括Twitter和Instagram上面的许多粉丝。

出于那个原因,当欧洲空间局的Schiaparelli探测器在2016年秋天到达火星轨道,准备降落在火星表面时,众多研究者和爱好者都激动不已。2016年10月19日,在停留于轨道的母舰的操纵下,Schiaparelli探测器开始向子午线高原(Meridiani Planum)区域降落。降落伞在12千米高空处弹出,挡热板在7.8千米处打开,一切似乎都按计划进行。

但是,探测器出现了一个导航计算错误,1秒钟的误差导致第二个降落伞过早发射,并提早触发制动推进器,使导航认为探测器已经到达地表。最终,Schiaparelli探测器猛地撞在火星表面,而碰撞产生的碎片还可以在美宇航局火星勘测轨道探测器上面看到。试验的结果虽令人失望,但毕竟只是一次试验而已。欧洲空间局如今计划在2020年重返火星。

作者:佚名 来源:不详
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