国外火星宇航实验研究现状论文

调查仍在继续。美国宇航局的洞察号着陆器于2019年2月12日在火星表面安装了名为“热与物理特性包”(HP3)的热探测器。

1877年，意大利天文学家乔瓦尼·斯基亚帕雷利将他的21.8厘米的望远镜——当时最好的望远镜之一——对准了神秘的火星圆盘。

科学家们早就知道，火星不仅仅是天空中的一个光点，它本身就是一个完整的世界，但斯基亚帕雷利是第一个尝试绘制详细地图的人。

他观察了黑暗的区域，他认为这些区域是海洋，由数百公里长的线性特征连接在一起。他称后者为“canali”，这个术语在技术上是渠道的意思，但在英语中被翻译成“运河”。

在19世纪70年代和80年代，斯基亚帕雷利一次又一次地绘制了火星地图，让自己相信运河系统正在迅速扩张——就好像面对干旱，一个先进的文明正拼命地试图保护自己的水源供应一样。

即便是在那个时候，斯基亚帕雷利的许多同事也对此表示怀疑。美国天文学家戴维•温特劳布在2018年出版的《火星上的生活》一书中写道，他们想知道，这些特征是否只是“斯基亚帕雷利的望远镜的光学性能不好，或者是他自己脑子里想出来的”。

但斯基亚帕雷利的设想吸引到了公众的想象力。其他人甚至认为，这颗红色星球的颜色是由于红色的植被，就像被日本枫树覆盖一样。1938年，奥森·威尔斯根据广播节目改编的《世界大战》让数十万听众惊慌失措，他们相信，致命的火星“三脚架”即将出现在他们家门口。

1976年，当美国宇航局的海盗1号轨道飞行器提供了火星的第一张清晰照片时，一张被称为“火星上的脸”的照片作为证明类人外星人曾经在我们的行星邻居上存在过并创造了伟大的足够让古埃及让蒙羞的遗迹的证据登上了小报。

我们现在知道，火星上的脸，就像运河一样，是光和影的把戏。但是，在这个星球上寻找生命的工作仍在继续。轨道飞行器和着陆器已经证明，火星曾经与地球非常相似，有海洋、湖泊和河流，大气的密度比现在的薄膜要大得多。

这颗红色星球最早的纪元现在被正式命名为“诺契亚纪”，这个名称是为了让人联想到大量的水。

今天，最迫切的问题不是火星是否曾经适宜居住——在很久以前的不同时期，它几乎肯定是适宜居住的——而是在气候变得过于寒冷和干燥之前，它是否可能已经有了生命。如果是这样的话，这将成为天体生物学家所称的生命“第二种形式”(第一种是我们自己)的证据。

即使第二种生命形式从未在单细胞微生物之外出现过，这也意味着在我们的太阳系中至少出现过两次生命。如果这种情况发生在这里，那么在天文学家正在寻找的围绕遥远恒星运转的数千颗行星上，这种情况发生的几率有多大呢?而且，这些微生物多久会进化成像我们这样的生物?

在火星上发现生命的最简单的方法是，一个多触手的东西从一块岩石后面跳出来，向我们招手:“欢迎，地球人，我在这里!”“第二理想的情况是，探测器采集土壤样本，发现一群蠕动的微生物。

但是火星的表面是一个极其恶劣的环境，生命的迹象，如果它存在或曾经存在过，可能很难探测到。但这并不意味着没有更多的好方法来寻找它。

1｜在岩石中寻找结构

在地球上，这意味着化石。欧洲航天局(ESA) ExoMars项目科学家Jorge Vago说道，这是“恐龙骨头”。“如果你看到这样的东西，你就知道它是活的。”

Vago补充道：“但遗憾的是，这并不适用于微生物。你需要一个电子显微镜才能看到它们，而且你不能把它飞到火星上去。”即使你可以，它们是小棒和球体，有各种各样与生命无关的过程可以产生棒和球体”。

到目前为止，对火星的严密监测一直未能提供生命存在的证据，无论是现在还是过去。

这正是1984年的问题所在，当时科学家们在南极洲的艾伦山地区发现了一块重达1.9公斤的陨石:一块被证明是古代小行星撞击而从火星表面炸飞的碎片。

当电子显微镜图像显示的棒状结构很像微生物化石时，科学界的兴奋之情如此强烈，以至于美国总统比尔•克林顿(Bill Clinton)在白宫的新闻发布会上也谈到了这个问题。然后这个推测就被推翻了。

“它很快就被证明与火星生命无关，”美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的澳大利亚地质学家和天体生物学家阿比盖尔·奥尔伍德说。“这既不是陆地上的岩石污染，也不是生物污染。”

奥尔伍德说，从那以后，人们认为艾伦·希尔斯陨石的其他特征有生物起源的特点，但也有人认为这些特征可能是地质作用的结果。

问题是，她说，火星陨石只是脱离了它们的地质环境的岩石。“如果我们对岩石形成的环境有一些了解，”她补充说，“我们就能确定生物学或非生物学假说是否正确。陨石的问题是我们没有那种环境。”

然而，这个问题不适用于在火星表面工作的探测车，因为它可能能够探测到整个微生物群落留下的印迹。“不是一个微生物，”Vago说，“而是数十亿个微生物。”

在地球上已经发现了这样的岩层，比如在西澳大利亚的皮尔巴拉地区。在那里，由奥尔伍德领导的研究小组在34.3亿年前的岩石中发现了叠层石的特征。

Vago认为类似的结构可能在火星上被发现，特别是在那些曾经被发现的区域。

曾经是湖底，靠近喷吐火山灰的火山。他说:“如果有生命的话，火山灰沉降的方式是不同的。如果没有生命，火山灰就会沉淀在底部，这些层就会形成大致水平的地平线。”

但如果湖底有微生物群落，这些微生物最终可能会把沉积物颗粒困在类似叠层石的结构中，“这是一种印记，告诉你那里有微生物”。

2|古代岩石中的生物特征

发现含有与生命有关的化学物质几乎与发现化石一样容易。

科学家们并不是在寻找与我们自身的脂肪、蛋白质和DNA相同的化学物质。相反，他们会寻找火星上任何可能用来替代这些化学物质的残留物。Vago和他的同事在2017年写道，这些残留物可能足够耐久，可以持续数十亿年，可能有四个特征使它们脱颖而出，即使它们与地球生命使用的化学建筑材料有很大的不同。这些都是:

同手性

许多有机分子形状不对称，这意味着它们有“左手”和“右手”之分。非生物过程往往产生每种相同数量。生物过程只产生其中之一。在火星上已经发现了有机化学物质，但是探测到它们的“好奇号”漫游者并没有装备来测试它们的手性。

分子结构和质量的“聚类”

地球上的生命倾向于建造体积有限的结构。例如，脂质倾向于聚集在14到20个碳的范围内，尽管理论上没有理由不增加或减少碳的数量。同样，我们的DNA和RNA使用的5个核苷酸碱基(4个DNA碱基，另一个RNA碱基)的分子量在112到151之间，而我们用来制造蛋白质的氨基酸的分子量在75到204之间。“如果你发现有化合物的聚集，”Vago说，“这种聚集是一种生物特征。”

重复的分子子单元

正如我们所知，生命喜欢把化学物质分解成小块，一次添加一个亚基。我们在蛋白质和DNA中看到了这种现象，但它也出现在更小的分子中，如脂质，它们以双碳单元组装——这意味着它们往往有偶数个碳(14、16、18等等)。异戊二烯类化合物——包括叶绿素在内的精油和色素的成分——以五碳亚基的形式组装。即使这些化学物质随着时间的推移已经分解，它们的降解产物仍然保持类似的模式。“除非涉及到生命，否则这种事情是不会发生的，”Vago说。

同位素比值

生物过程——至少是我们所知的过程——的运作方式往往略有不同，其化合物中含有碳等重要原子的不同同位素。非生物的通常没有这种偏好。在地球上，最明显的例子是碳的两种稳定同位素:碳12和碳13，较重的碳13同位素不受欢迎。这种影响并不大，但它是可以测量的，因此这两种同位素的比例可以用来确定含碳化合物是否具有生物或非生物起源。它甚至可以用来确定被怀疑是兴奋剂欺诈的运动员体内的类固醇和激素是实验室合成的还是他们自己身体产生的。在火星上，任何12C/13C比率的变化都是生命活动的危险信号，而不是地质学。

3|嗅探甲烷

当然，未来的漫游者可能会捕获活的有机体，而不是包含在古代岩石中的降解的化学物质。但这不是问题，Vago说。“如果你有一个有效载荷，用来探测过去生命中更具挑战性的迹象;如果你拿起一个含有活微生物的样本，去检测这些微生物的化学成分简直是小菜一碟。”

但另一种寻找生命迹象的方法是测试火星大气中的甲烷含量。在地球上，甲烷主要是由生物活动产生的，从牛屁到分解植物。但它也是由地质过程产生的，比如水与一种叫做橄榄石的矿物的相互作用，这种过程叫做蛇形作用，因为它产生一种被称为蛇形的绿色岩石。

2004年，欧空局的火星快车轨道器在地球的不同地方探测到甲烷的踪迹，但喷气推进实验室的科学家克里斯·韦伯斯特说，这令人沮丧，因为每一个都是一次性的事件，没有可识别的模式。

然后在2018年,韦伯斯特报道,六个地球年的测量由好奇号火星(三火星年)发现大气中的甲烷含量,在夏季达到顶峰,在秋季和冬季——这可能会也可能不会显示产甲烷微生物的存在，产甲烷微生物在温暖的天气醒来,然后再进入冬眠。“这是我们第一次在甲烷的故事中看到可重复的东西，”韦伯斯特说，“但我们不知道它是来自岩石化学还是微生物。”

美中不足的是还有一点。几个月后，在华盛顿特区举行的2018年美国地球物理联盟年会上，Vago的团队报告称，自2016年以来一直环绕火星运行的欧洲航天局(ESA)微量气体轨道飞行器(Trace Gas Orbiter)，一直无法在火星大气的任何地方发现可测量的甲烷含量。这并不意味着不能像在盖尔环形山观测到的“好奇号”那样局部喷发，但它确实提出了一个问题，即它们在全球范围内的重要性如何。

4|挖吧，宝贝，挖吧

科学家们一致认为，如果火星上有甲烷，那很可能是由于微生物活动的季节性变化，或者更有可能是由于火星表面允许气体从地下逸出的能力的季节性变化。

我们还知道，由于大气层太薄，无法阻挡强烈的辐射和高氯酸盐等高水平的氧化化学物质，火星表面极其荒凉。“我们用(高氯酸盐)消毒，”来自加拿大安大略省约克大学的行星科学家John Moores说。

推荐

我们需要的是深入到地表以下，远离有害的辐射和氧化剂。美国宇航局于2018年11月26日着陆的“洞察号”着陆器，将通过监听火星地震的地震回声来启动探测过程。但这一结果将主要引起地球物理学家的兴趣。Stamenković(JPL的行星科学家和物理学家）表示,下一步,喷气推进实验室的目标是使用遥感寻找可能有水的地方,然后钻深。

这听起来像是一项艰巨的任务，但它实际上并不需要把成吨的建筑材料运到火星，并建立一个类似于石油井架的东西。Stamenković说,相反,它可以用一个叫做有线钻的东西来完成。他说:“只要有电线，你就可以挖足够深。”“有些电线一公里不到一公斤重。他和同事们今年1月在《自然天文学》(Nature Astronomy)杂志上撰文称，通过压缩火星大气中的二氧化碳，用它代替传统的钻井液将物质冲回地表，也可以减轻重量。

下面会发现什么，谁也说不准。但是在2018年的一篇论文在《地理科学》另一个Stamenković领导的研究小组认为,我们可能会钻到一个地区能够支持不仅产甲烷细菌,而且能够实现有氧生活。

目前,氧气是只占火星大气的0.145%(相对于地球上21%的),但是在温度和压力条件下只发生在地表附近,Stamenković的小组总结道：,令人吃惊的是，大量的水可能会溶解在火星的盐水中，远远超过维系像地球海绵一样复杂的需氧生物所需。

并不是说这些生物只需要氧气。西雅图华盛顿大学的行星科学家David Catling说:“有氧生活还有许多其他要求。”但是，如今那里可能有足够的氧气来维持一个相对复杂的生态系统，这一想法仍然令人兴奋。

5|的古代空气痕迹

不管你是在寻找现在的生命还是早已消失的生命迹象，一个主要的问题是，火星的大气是否曾经厚到足以使星球有足够的热量来形成。

有大量的地质证据表明火星曾经温暖到有液态水。但这是在很长一段时间内发生的，还是在时断时续的时期内发生的呢?摩尔斯说，这是一个悬而未决的问题。

进入火星大气与挥发性演化(MAVEN)，这是一艘NASA的航天器，自2014年以来一直环绕火星运行，研究火星大气如何与星际空间相互作用。“我们已经能够确定大部分已经丢失了，”它的首席研究员，科罗拉多大学大气和空间物理实验室的Bruce Jakosky说。

这听起来像是一开始大气层很厚的证据，可能需要一段时间才能被侵蚀到足以使地球进入深度冻结状态。但事实未必如此。火星大气可能有时厚，有时薄，产生摩尔建议的间歇增温和降温的类型。

“把它想象成你钱包里的钱，”Jakosky说。“你可以花很多钱，但这并不决定你在任何时候拥有的是少还是多。你可能会不断地从自动取款机上取钱，而且每次只取几美元。“这一差异可能是至关重要的，它决定了地球是否曾经足够温暖，是否曾经有足够长的时间让生命有一个现实的机会开始。”

6|选择正确的地方看

美国宇航局的下一个任务，火星2020探测器，将前往一个45公里宽被称为Jezero陨石坑的盆地。之所以选择这里，是因为这里曾经有一个湖泊，一条河流从周围的高地流入，形成了一个巨大的三角洲。“三角洲非常擅长保护生物特征,[他们]生命的证据可能存在于湖水中,或在湖沉积物和水之间的间隙中,或者,可能东西被沉积在河边和三角洲,”项目科学家肯·法利在2018年晚些时候的新闻发布会上说。

但是像Jezero三角洲这样的地方并不是唯一可能保存生命迹象的地方。新南威尔士大学澳大利亚天体生物学中心主任Martin van Kranendonk认为，在生命起源的地方寻找生命迹象也是可能的。

科学家们曾经认为这些地方可能是海底热液喷口，在那里重要的化学物质从地壳深处喷发出来。但是，目前的理论认为，像美国黄石国家公园的温泉池可能是更好的选择，因为，不管海底喷口可能会释放出多少有趣的化学物质，它们没有多少时间来形成更复杂的前生物制剂。“它们就这样消散并消失了，”van Kranendonk说。

另一方面，温泉池不存在这样的问题。他们也会经历波动的水位，从而产生变化的湿循环和干循环——实验室实验表明，这正是使小分子连接成更大的链所需要的。“它们是复杂的机器，”van Kranendonk说。

这些温泉也会产生二氧化硅，被van Kranendonk称为“地质世界的埃及坟墓”。它完美地保存了特征，包括生命的迹象”。

此外，它们已知存在于火星上，因为在2007年，美国宇航局的勇气号火星车在古谢夫陨石坑的哥伦比亚丘陵地区的一个叫做“本版”的地方发现了它们的残骸。“我们认为另一种生命形式很可能在火星上出现，因为它拥有现在被认为是地球上的配方的正确成分，”van Kranendonk说。

那么火星上是否存在另一种生命形式呢?目前唯一的证据就是我们还没有找到它。

如果生命仍然存在，那么它很可能已经深埋到地下，以至于我们迄今为止使用的轨道仪器和探测车都无法观测到。但这并不意味着它不存在。到目前为止，我们还没有发现任何古代生命的真实特征，这一事实也不能提供它不存在的证据。即使在地球上，古代生命的痕迹也是罕见而分散的。

如果有一天我们发现了这样的痕迹，科学的口头禅之一就是非凡的主张需要非凡的证据。以火星上的生命为例，喷气推进实验室的奥尔伍德说，这意味着“你能想到的每一个生物学假说”都必须先被排除，然后才能被接受。没有“如果”、“但是”或“可能”。火星上有生命的证据需要绝对的证据。

这是一项艰巨的任务，但奥尔伍德认为并非不可能。“我认为，如果生命存在，证据就会存在，”她说。“关键是我们能把工作做得多好。”

作者: Richard A. Lovett

FY: COKEDAYTOY

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