发表自话题：火星上首次留下中国印迹
出品：科普中国 @中国科普博览
制作：haibaraemily
监制：中国科学院计算机网络信息中心
太长不看版：
地球之外的其他天体上存在生命吗？
我们在宇宙中孤独吗？
自人类开始探索宇宙以来，探索生命的痕迹就是我们孜孜以求的重要目标之一。外星人和外星生物，一直是大量科幻小说的主题。
人们曾经想象月亮里居住着嫦娥玉兔，想象地球上看不见的月球背面有外星人的基地；
人们曾经想象和地球大小质量差不多，距离太阳距离也差不多的金星一定有着非常适宜生命居住的环境；
人们曾经想象火星上有高等生命修建的遍布全球的河道，可以灌溉整个火星……
然而，这些幻想在探测器时代来临之后都一一破灭了。
至少，在人类目前的探测范围内，并没有找到像我们一样的高等智慧生命。
那么如果只是生命呢？毕竟，在地球的46亿年历史中，人类不过存在了几百万年而已，而微生物却已经存在了三十五亿年以上了。
太阳系中还有其他星球上有生命存在吗？
很不幸，人类目前只能局限于自己对碳基生命的认知。于是人类把对“生命”这种形态的探索，浓缩为了对液态水和有机物的搜寻。
火星上存在生命吗？至少，火星上曾经存在过生命吗？理论上来说，这是很有可能的。毕竟远古的火星远不像今天那样寒冷干燥，而是很可能有磁场和大气层保护，有活跃的地质活动，有丰沛的液态水——那么，如果在35亿年前的地球上诞生了微生物，为什么同样气候适宜的火星不会呢？
6月8日，《科学》杂志发表两篇论文，通过好奇号火星车五年多来收集的探测数据，给出了更加确凿的有机物存在和变化的证据(Eigenbrodeet al., 2018; Webster et al., 2018)。
这能证明火星有生命吗？
1、海盗号的尝试
早在1976年登陆火星的海盗1号和2号就试图寻找答案。两艘海盗号都携带了四件专门用于搜寻火星上的有机物的科学仪器：气相色谱-质谱仪（GC-MS）、气体交换实验仪（GEX）、热解释放实验仪（PR）和标记释放实验仪（LR）。
海盗1号和2号用于探测有机物的科学仪器。来源：NASA然而，气相色谱-质谱仪（GC-MS）、气体交换实验仪（GEX）和热解释放实验仪（PR）在搜寻了火星土壤和大气之后一无所获。这并不令人意外，毕竟火星没有臭氧层，剧烈的紫外辐射应当会消灭表面所有的有机物。
但标记释放实验仪（LR）似乎探测到了一些有机物的代谢产物，虽然这个结果并没有被广泛采信，因为GC-MS和GEX的结果显然更为可靠，尤其是当2008年凤凰号着陆器在火星土壤中发现了高氯酸盐这种强氧化剂之后。也就是说，这些产物很可能仅仅是无机物被火星土壤氧化产生的。
不过，也有一些科学家认为，之所以GC-MS没有探测到有机物，是因为LR可以探测到极其微量的产物而GC-MS没有这么敏感；还有一些科学家认为，没有检测到土壤中的有机物正是因为这些有机物被高氯酸盐之类的强氧化剂分解了，证据是后来对海盗号样本的重新分析中探测到了氯甲烷和二氯甲烷，这是有机物被高氯酸盐分解的常见副产品(Navarro‐Gonzálezet al., 2010) ，但这些氯甲烷含量太过微弱，似乎也不足以采信。
2、希望之星好奇号
然而，火星毕竟还是人类的希望之地，毕竟海盗号是当时人类第一/二艘成功着陆火星并进行科学探测的探测器，在苏联的几次迷之着陆失败的阴影之下，安全着陆才是第一要务，对着陆点是不是肥沃丰饶的有机物富集地就没那么高要求了。
也就不难理解，当2012年8月，好奇号火星车着陆在了火星赤道附近一个叫做盖尔环形山的陨石坑中时，地球上的人们有多么兴奋——这个洼地形成于约35亿年前，此后一度是一个古老的湖泊。再后来，随着火星变得干燥，湖里的水也慢慢干涸，只剩下散布着泥岩和各种沉积地貌的河床——这里被认为是很可能发现古老有机物甚至生命痕迹的风水宝地。
而且，好奇号火星车要厉害得多。它是个打钻小能手，不再局限于火星表层的物质，而是可以通过打钻来测量火星表层以下几厘米深处埋藏的物质。好奇号还带来了更先进的测量仪器：它携带了一套强大的有机物探测装置，叫做火星样本分析仪（Sample Analysis at Mars，简称SAM），这是整个好奇号火星车上占体积最大，设计最复杂的仪器。
火星样本分析仪SAM及其内部仪器。来源：NASA人们想必对好奇号寄予了太多期待，以至于在好奇号刚刚着陆不久的2012年11月底，NASA甚至要严肃辟谣：
目前所有对好奇号新发现的谣言和猜测都是错误的。截止到目前为止，好奇号还并没有发现任何火星有机物的证据。
NASA于2012年11月底发出的辟谣声明。来源：NASA不过，好奇号也确实探测到过一些简单有机物，除了火星大气中常见的甲烷之外，还在火星一处叫做Cumberland的泥岩（好奇号在2013年5月经过）中探测到过含有2到4个碳原子的二氯烷烃甚至含有6个碳原子的氯苯(Freissinetet al., 2015)，但这些有机物的含量也不高，偶有发现的更复杂一点、含碳数目更高的有机物含量就更低了。
而含量更高、更确凿的有机物富集地，之前一直没有发现。
6月8日，《科学》杂志发表两篇论文，通过好奇号火星车五年多来收集的探测数据，给出了更加确凿的有机物存在和变化的证据(Eigenbrodeet al., 2018; Webster et al., 2018)。
3、噻吩类、芳香族和脂肪族有机物的确凿证据
虽然NASA刚刚修好了自2016年12月起就不能打洞了的钻孔，并又成功完成了一次钻孔采样，但这次的结果却和最近那次采样没有一点儿关系——这次是从2014年9月（Confidence Hills）和2015年1月（Mojave）的两次钻孔采样中发现这些有机物的。两处钻孔采样的Confidence Hills和Mojave泥岩都位于穆雷构造一带，这一区域富含河流三角洲沉积物，更可能有丰富的有机物，也更可能较好地保存古老的有机物。
本次从Confidence Hills和Mojave两处泥岩中发现了丰富的噻吩、芳香族和脂肪族有机物，之前在Cumberland也发现过少量二氯烷烃和氯苯。修改自：NASA在加热到500-820℃后，逸出气体分析（EGA）显示出Confidence Hills和Mojave样本的热分解产物中含有多种噻吩（C4H4S）类和其他芳香族、脂肪族有机物，更重要的是，本次探测到的有机物总量是之前探测到的一百倍以上。
噻吩的结构。来源：NASA
SAM的逸出气体分析（EGA）显示的Mojave样本的热分解产物，含有多种噻吩类和其他芳香族、脂肪族有机物。来源：Eigenbrodeet al. (2018)气相色谱-质谱仪（GC-QMS）的进一步分析结果再次确认了ConfidenceHills和Mojave两处泥岩样品中含有多种噻吩（C4H4S）类有机物，含量显著高于作为对比组的Cumberland样本。
SAM气相色谱-质谱仪（GC-QMS）显示的Mojave样本的热分解产物，含有多种噻吩类有机物，而作为对比组的Cumberland样本中则几乎没有。改编自：Eigenbrodeet al. (2018)要知道，好奇号的SAM并不能直接探测有机分子的成分，而是必须通过高温气化，复杂的长链有机物会在这一过程中发生分解，也就是说，可以相信，实际的有机物成分应当比探测到的碳链更长、更为复杂。EGA的分析显示样本的热分解产物中似乎还有含氮和含氧有机物，表明样本中甚至可能有含氨基、羧基、羰基等基团的复杂有机物。
为什么在穆雷构造一带发现了远高于之前Cumberland一带的有机物含量？可能的解释有很多，比如其他区域的有机物本身就更匮乏；或者这里的有机物暴露出来的时间更短，受到的破坏更少；也可能是这里的环境酸性程度不强，有机物不容易被氧化……但有机物的硫化可能是最主要的原因，因为本次研究区域的总体硫含量是之前火星其他泥岩样本中的3-10倍。这一硫化过程可能发生于30多亿年前火星早期的成岩作用时期，而硫化之后的有机物会变得更耐分解。
但这些有机物到底是怎么来的？微生物作用当然是一种可能的原因，而且是我们人类最希望的一种原因。想象一下火星地下有类似石油或者煤这样的由远古的微生物甚至更高等的生物参与形成的物质，是一件多么激动人心的事！随着火星环境变得恶劣，曾经的微生物可能会灭绝，以各种形式的残骸保留下来，甚至会不会有一部分微生物转向地下，在地下一定深度的土壤和岩石缝隙中继续生息繁衍呢？
然而不可否认的是，其他一些地质过程，例如火山作用或者水热反应，也一样可能形成类似的有机物，而另一种可能性，彗星和小行星的撞击，也非常可能给火星带来这些有机物。
但至少，仅仅在地下几厘米深的地方就有如此丰富的有机物存在，这最起码表明即使在如此严酷的环境下，火星上也有大量有机物存在。
4、火星背景甲烷的季节性变化
本期《科学》杂志的另一篇论文，介绍了好奇号长达五年多的火星大气甲烷含量的跟踪测量结果。
火星大气中的主要成分是二氧化碳，但人们早就知道火星大气中有微量的甲烷，不管是地基望远镜，还是探测器的光谱测量，都明确证实了这一点。只不过，这些甲烷的含量变化莫测，似乎完全没有规律可循。
直到这次，好奇号通过长达五年多的跟踪观测，加上更精密的测量方法，才终于找到了火星甲烷的变化规律。
好奇号对火星甲烷含量的观测通过火星样本分析仪SAM中的激光光谱仪（TLS）来完成。为了提高观测的可靠性，好奇号这次采用了一种叫做enrichment ingest的方法，这种方法可以更有效地滤掉二氧化碳和水蒸气的干扰，相比于之前的direct ingest方法，测量不确定性被大大降低了。
测量结果在跨度达3个火星年（约6个地球年）期间显示出明显的季节变化，甲烷含量在夏秋之际达到最大，而之前和之后都显著减小。
火星大气中背景甲烷含量，不同的颜色表示来自不同火星年（1个火星年约等于2个地球年）的观测数据，ppbv表示体积的十亿分之一。来源：Webster etal. (2018)另一方面，这次的测量值整体变化幅度显著小于之前的观测值，可以认为这次的测量结果体现了火星大气中甲烷原本的变化规律，也就是所谓的背景甲烷含量，或者本底值，而之前观测到的无规律的甲烷含量变化，可能是由于区域性的甲烷爆发引起的偶发性异常尖峰。
方块表示的是direct ingest方法测量的火星大气中甲烷含量，不同的颜色表示来自不同火星年的观测数据，明显可以看到这些测量数据误差更大，变化幅度也更大，而且没有任何的季节性变化规律，这可能是由于区域性的甲烷爆发引起的偶发性异常尖峰而不是火星本身的甲烷变化。来源：Websteret al. (2018)。那么火星的背景甲烷含量的周期性变化是由什么引起的？文章通过理论计算排除了表面气压的年际变化变化和撞击带来的有机物影响，认为可能和大气中的水蒸气或者与表面温度有关的一些过程有关。这种过程的可能是生物引起的，事实上，地球上大部分甲烷都是生命活动生成的，但地质作用也是可能的原因，例如地下的裂隙或者岩石中贮藏的有机物。
可以说，目前的发现只能证明火星上很可能广泛存在有机物，但还远远不能说是发现了生命的痕迹。
或者说，这些证据还不够给力。
那么什么样的证据更加给力呢？
火星陨石似乎给出了一点线索。
5、火星陨石的启示
火星陨石中似乎也有发现过有机物甚至微生物的痕迹，例如发现于南极的ALH84001陨石(McKay et al., 1996; Jull et al., 1998; Bada et al., 1998)，但这颗古老的陨石已经在地球上静静沉睡了一万多年了，焉知不是受到了地球上有机物的污染？（怎么知道一颗陨石是火星陨石的看这里：如何推断出陨石来自于哪个星球？）
火星陨石ALH84001它在电子显微镜下的疑似微生物化石的结构。来源：NASA发现于摩洛哥的Tissint陨石更靠谱一些，而且，结果简直，不要太给力。
这是人类少有的目击到降落过程并且迅速寻找到的火星陨石，可以认为是几乎没有受到地球“污染”的。
在Tissint陨石里，科学家们发现了充填于裂隙和封装在熔脉（岩石高温熔融后形成的结构）中的大分子复杂有机物(Lin et al., 2014)。
Tissint陨石的一块。来源：中国科学院地质与地球物理研究所
Tissint陨石中的有机碳，充填于裂隙(a-b)和包裹在冲击熔脉(c-e)之中。来源：Lin et al. (2014)更准确的说，是一种叫做生油母质，或者地质学上称作“干酪根”的大分子复杂有机物。地球上的生油母质，是埋藏在地下的生物经过高温高压作用后形成的一种类似石油、煤这样的有机物，经过一定的加工处理可以直接生成油气的那种。
生油母质（kerogen）的典型形成位置。来源：http://www.qer.com.au还能再给力点吗？
可以。
研究还发现Tissint陨石中 
（左）Tissint陨石的一部分，来源：维基；（右）Tissint陨石的13C同位素的含量比例低于火星的二氧化碳，这很可能是因为生物活动会产生更多较轻的12C，改编自：Lin et al. (2014)
可以说，岩石样本中的C同位素比例才是更实锤的证据，但好奇号目前为止还没有提供这样的数据，虽然SAM具备测量较轻的元素（至少可以测到K，参见Measuring the Age of a Rock on Mars ）同位素比例的能力。或许是因为样本中有机物含量还不够，也或许是确实还没有从样本中发现更多的轻碳——即使真的没有发现，也是可以理解的，毕竟火星陨石是从火星地下深处被挖掘出来的，体现的也应该是火星深埋在地下的，非常古老的生命活动（如果有），而好奇号只能在表面几厘米挖一挖，这么浅的地方能多大程度地保存生命活动的痕迹呢？
那么，这么给力的火星陨石可以算数吗？
对很多地球的地质学工作者们（比如 @云舞空城 ）来说，ta们已经基本信了。但从行星科学家的角度来说，再新鲜的陨石，从它撞击产生，到因为各种原因落入地球，其中还是经过了太多不可知的过程，必须谨慎再谨慎。就像早在2002年，火星奥德赛号轨道器就已经通过伽马射线光谱仪GRS在火星上探测到了氢的存在，但最终认定火星的极区地下存在水冰，还是要等到2008年凤凰号亲自挖到才算。
眼见为实，挖到才算。
直到有一天，火星车的实地采样分析或者采样返回分析中发现了这些与生命直接相关的证据，比如样本中更高比例的轻碳
好奇号在盖尔环形山中的行进路线。盖尔环形山的中央峰夏普山（Mount Sharp，后被正式命名为伊奥利亚山Aeolis Mons），是好奇号的目的地。(Voosen, Science, 2017)
而好奇号的继任们，NASA的Mars2020和欧空局的ExoMars火星车已经整装待发，静候下一个火星发射窗口。将来的火星车，可以打更深的洞（据说可以深达2米），还可能采样返回地球，进行更细致深入的分析。
停是不可能停的，还要继续挖，挖更深。
拓展阅读：
2017年的好奇号——出走五年，依然怀抱利器！
NASA好奇号火星车新进展：时隔一年半重启钻孔采样
haibaraemily：如何推断出陨石来自于哪个星球？
致谢
本文感谢我亲爱的审稿群小伙伴们~
这篇在 @云舞空城 的建议下首次在公众号版和知乎版用了不同的逻辑线来写，个人觉得知乎这个版本更“乐观”一些……
所以想看另一条逻辑线的可以去我的公众号“永结无情游相期邈云汉” （haibaraemily_planets）～
参考文献
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Viking_lander_biological_experimentsEigenbrode, J. L., Summons, R. E., Steele, A, (2018). Organic matter preserved in 3-billion-year-old mudstones at Gale crater, Mars. Science, 360, 1096-1101. Webster, C. R., Mahaffy, P. R., Atreya, S. K., & Vasavada, A. R. (2018). Background levels of methane in Mars’ atmosphere show strong seasonal variations. Science, 360, 1093-1096.Bada, J. L., Glavin, D. P., McDonald, G. D., & Becker, L.(1998). A search for endogenous amino acids in Martian meteoriteALH84001. Science, 279(5349), 362-365.McKay, D. S., Gibson, E. K., Thomas-Keprta, K.L., Vali, H., Romanek, C. S., Clemett, S. J., ... & Zare, R. N. (1996).Search for past life on Mars: possible relic biogenic activity in Martianmeteorite ALH84001. Science, 273(5277), 924-930.Jull, A. J. T., Courtney, C., Jeffrey, D. A.,& Beck, J. W. (1998). Isotopic evidence for a terrestrial source of organiccompounds found in Martian meteorites Allan Hills 84001 and Elephant Moraine79001. Science, 279(5349), 366-369.Freissinet, C., Glavin, D. P., Mahaffy, P. R.,Miller, K. E., Eigenbrode, J. L., Summons, R. E., ... & Franz, H. B.(2015). Organic molecules in the sheepbed mudstone, gale crater, mars. Journalof Geophysical Research: Planets, 120(3), 495-514.Voosen, P. (2017). Mars rover steps up hunt formolecular signs of life. Science, 355(6324), 444-445.Lin, Y., El Goresy, A., Hu, S., Zhang, J.,Gillet, P., Xu, Y., ... & Xu, L. (2014). NanoSIMS analysis of organiccarbon from the Tissint Martian meteorite: Evidence for the past existence ofsubsurface organic‐bearing fluids on Mars. Meteoritics & PlanetaryScience, 49(12), 2201-2218.https://www.lpi.usra.edu/lpi/meteorites/The_Meteorite.shtmlhttps://www.space.com/40823-life-on-mars-organic-methane.html?utm_source=notificationhttps://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7154https://www.jpl.nasa.gov/spaceimages/details.php?id=PIA22328http://www.planetary.org/blogs/emily-lakdawalla/2012/curiosity-instrument-sam.html云舞空城 - 发现高浓度甲烷和在陨石中发现轻碳同位素相比，哪个更能证明火星存在生命？云舞空城 - 在我们的太阳系里，除了地球以外，还有那颗行星有原油储存？火星生命证据，或许就在我们手中 | 科学人 | 果壳网 科技有意思 http://www.qer.com.au/about-oil-shale/what-kerogen-shale
“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处
标签组：[火星大气] [火星车] [美国航天局] [有机物] [火星陨石] [甲烷]
