火星上是否有生命

2020年7月下旬到8月初是探测火星的“发射窗口”，阿联酋的希望号已经率先出马，中国天问一号和美国毅力号也将紧随其后。美国“火星2020任务”的科学目标之一就是确定火星上是否有生命。在数十年前，美国国家航空航天局“维京任务”的生物标记实验得出了存在生命的结果。尽管官方报告称其没有提供明显证据，但至今仍有科学家没有放弃火星生命假说，更有甚至提出了惊人的假设——“火星蘑菇”。究竟谁是谁非，或许毅力号的探寻之旅将给我们答案。

2020年地球命运多舛，但灾祸没有阻挡住人类探索太空的脚步。7月20日，阿联酋的“希望号”（Hope）率先出发，中国的“天问一号”、美国的“毅力号”（Perseverance）很快将紧随其后，带着人类科学家的美好期望，奔赴5500万公里之外的红色星球。

考察火星上的生命踪迹是此次探索的一个重要科学研究任务之一。虽然火星上没有“火星人”，但是否存在低级或者原始生命形式，能否为解释生命起源提供思路，一直是科学家们孜孜以求的问题。在火星生命探索的历史上，要属美国国家航空航天局（NASA）经验最为丰富，此前他们并没有给出特别明确的说法。可是，却有科学家始终坚持说Yes。

一切始于半个世纪前的“维京任务”

从上世纪60年代起，NASA就把目光瞄准了这颗红红火火的“战神”星球。从1964年的水手四号（Mariner 4），1969年水手六号和七号先后飞掠火星，一直到1971年和1972年水手九号的轨道任务，NASA步步为营，始终坚持对火星的深入探索。事实上，在 “太空竞赛”后期，NASA的下一个目标之一就是让宇航员登陆火星。

时间到了1975年，NASA正式启动“维京任务”（Viking Mission，也被称为海盗任务）。正如中世纪时，野心勃勃的维京人扬起风帆，从斯堪的纳维亚半岛出发，凭借着惊人的勇气和毅力，足迹踏遍欧洲大陆以及北极辽阔的疆域，创造了“维京时代”。两艘维京号探测飞船承载着地球人的壮志，一探“战神”究竟，除了了解火星的气候地质属性外，另一目标就是寻找生命踪迹。

该年夏季，两艘太空飞船先后奔赴火星，经过一年的飞行，维京一号着陆器于1976年7月20日率先登陆火星克里斯平原（Chryse Planitia）西坡，而维京二号于9月3日登陆4000英里外的乌托邦平原（Utopia Planitia）。

“维京”这一称号似乎赋予了此次任务无与伦比的顽强“维京精神”，原本计划90天的探索任务，轨道器和着陆器的使用寿命都远远超过了设计预期。尤其是维京一号轨道器，在火星轨道上“勤勤恳恳”工作了四年之久。随着气体燃料的逐渐耗尽，整个探索任务在1983年5月21日正式划上句号。

维京着陆器由五个基础部分组成：着陆器主体；生物防护罩和底座；机身；底盖和降落伞系统；以及着陆器亚系统。携带的仪器用于着陆器主要科学研究目的：生物研究、化学成分分析（有机与无机）、气象、地震学、地磁学以及地貌、火星表面和大气物理。丨来源：NASA

寄予厚望的“维京任务”生物实验

在执行任务期间，着陆器上的科学仪器获得了比预期更多的数据。展开的生物实验包括气象质谱实验（GCMS）、气体交换实验（GEX）、标记释放实验（LR）和热解释放实验（PR）。另外，维京任务期间还拍摄了很多质量精良的照片，其中着陆器拍了4500张，轨道器拍摄了52000张。

在上述四大生物实验中，生物学家们对标签释放（Labeled Release，简称LR）实验项目寄予厚望。具体实验过程并不复杂，维京一号和二号着陆器收集火星土壤样本，然后将一滴稀释过的营养液注射入样本中，然后检测土壤上方的空气中是否会出现代谢副产物。在注射之前，营养物质已经加入放射性碳14标记。如果土壤中存在的微生物对营养物质产生了代谢作用，那么它们应该会释放出放射性副产物，比如带标记的二氧化碳或者甲烷。

在发射维京号太空飞船之前，研究人员在地球各地的极端环境下——从死亡峡谷到南极洲——不同陆地土壤中检测了实验方案。每一次实验都是阳性结果。同时，研究人员还一一做了对照组实验，将样本加热到160℃的高温，以杀死所有的生命形式，然后重复实验操作，结果每一次实验都是阴性结果。为了确认实验过程不会产生假阳性结果，研究人员还用到了已知的无菌土壤样本，比如来自月球的岩石样本和冰岛附近萨特西火山岛上的土壤样本，最终产生了预期的阴性结果。

研究人员满怀信心地期待着维京一号和二号在火星上的实验结果。然而，让他们没有想到的是，这场实验竟然成为了史上最具争议的火星实验，还让NASA在接下来的近50年内对此实验采取了闭口不谈的态度。

从最有希望的实验到最富争议的实验

LR实验的首席研究员是Gilbert Levin博士。Gibert Levin一生经历丰富，曾在第二次世界大战期间服役于美军海军，又在马里兰卫生部担任过公共卫生工程师，并且成立了自己的生物技术公司Biospherics Research Inc（现Aikido Pharma Inc），1963年他在约翰·霍普金斯大学工程学院获得环境工程博士学位。他的发明获得了不少专利，尤其是对探测微生物的创新性方法引起了NASA的注意，因此后者在70年代初与他签订了一系列合同，邀请他开发适用于太空任务的地外生命探测实验方案。

Gilbert Levin的同事Patricia Ann Straat，也来自约翰·霍普金斯大学。当年Straat在霍普金斯当助理教授，研究分子生物学和酶系统。Straat在电视上观看了1969年月球登陆，心里向往着能够参与NASA宏大的太空探索计划，而当时Levin设计的实验正好被NASA选中，成为“维京任务”的生物实验之一，两位志同道合的科学家一番交流之后，Straat被LR实验深深吸引，随即加入团队。

她至今都不能忘掉在加州的JPL实验室和整个团队一起观看维京号着陆的场景，“当时在场的一半人都觉得着陆器可能会坠毁，但突然之间一个响亮的声音传过来：‘我们安全着陆了’，大家都高兴坏了。”她回忆道。而接下来LR实验的最终结果让两人更加激动不已。

在1976年发表在《科学》杂志上的论文中，Gilbert Levin和Patricia Ann Straat详细汇报了火星生命探测实验的所有结果。论文中提到，在向火星样本中添加了含有放射性碳14的营养物质之后，两个相距4000英里的着陆地点土壤测试均检测到相似的放射性气体释放。为了排除火星强烈的紫外线辐射可能产生的假阳性结果，着陆器还专门选择了埋在岩石下方的土壤样本，同样得到的阳性结果。土壤中的“活性”响应在18℃时表现稳定，加热3小时温度提升至50℃时活性减弱，而160℃的无菌火星土壤样本则作为对照组显示出阴性结果。

但是，除了LR实验，同期的其他实验，比如气相质谱实验，并没有在着陆地点附近发现有机化学的痕迹——争议由此展开。NASA最终的官方报告表示：“在着陆点附近的土壤中并没有提供明确的证据表明存在活着的微生物。”而且，NASA自己实验室的科学家也无法复现Levin的LR实验结果。

另外，根据NASA的解释，火星具有自我杀菌功能。参加任务的生物学家认为，充满火星表面的太阳紫外线辐射，加上极端干燥的土壤，以及土壤化学的氧化属性，三者结合起来会阻止火星土壤中形成活的生物体。因此，断定火星生命存在尚有争议。

在NASA看来，LR实验发现的模拟生命活动可能是未知的化学反应。而Levin和Straat当时也认为LR结果可能也并不明确，因此在报告末尾表示：“目前没有化学实验能够定量地重复LR火星数据，尽管存在（非生物学）假设理论，最合理的可能性仍是我们在火星上观测到了生命活动。”

在接下来的几十年里，随着NASA展开更多的火星探测任务，利用更加先进的技术手段，科学家对这颗星球的认识也愈发清晰，发现了包括液态水、甲烷等。尤其是2014年，好奇号不仅在大气中检测到高浓度的甲烷变化，还首次确认了火星岩石粉末中包含有机碳等有机分子，可以说是NASA半个世纪来火星探测的最重要发现之一。与此同时，这一结果也让Levin更加坚持当年的LR实验结果。

实际上，从1997年开始，Levin旧事重提，在公共场合频繁发声支持当年LR实验的微生物活动结论。2016年，Levin和Straat在《天体生物学》（Astrobiology）杂志上再次联合发表了一篇观点性文章，根据近年来在火星上的新发现，以及无机物质模仿代谢活动的观点，重新探讨了上世纪70年代的LR实验，认为非生物性物质并不能充分解释LR实验结果，而最佳解释就是火星微生物。

维京一号的注射实验结果，表明第一次注射之后，土壤样本表现出强烈的放射性红色（，表明内部存在代谢活动，而对照组土壤样本则毫无反应（蓝色）丨来源：Levin and Straat, 1977, Biosystems Elsevier

Levin在接受媒体采访时表示：“自从我1997年第一次坚定地提出LR实验检测到生命之后，大部分评审期刊都拒绝了我们的文章投稿，我和Straat每年都会在国际光学工程学会大会（SPIE，包含天文学领域）上提交论文，但大部分都被天体生物学家忽视了。”他只能把这些文章放在自己的个人网站上。

Straat作为坚定的支持者，2019年曾接受过《科学美国人》的采访，她说自己最初并不完全同意Levin的观点，但是随着NASA在火星上发现的证据越来越多，她开始觉得当年他们确实发现了微生物生命。“火星上确实发现了一些复杂的有机分子，但是没有发现类似于生命所需要的简单有机分子，比如丙氨酸和甘氨酸”，她讲道。她很期待未来的火星探索实验，希望能够最终证实或者证伪他们当年的实验发现。

对此，NASA的JPL实验室行星科学家Luther Beegle则认为真相其实很简单：维京项目没有在火星上找到生命。“他们做了一堆实验，得到了很多他们无法理解的结果。”鉴于当时NASA对于火星土壤和大气的认识非常有限，他表示应该先从地质学和化学实验开始，而不是一下子就跳到生物代谢活动检测实验，LR实验结果其实很模棱两可。

奇人惊语：火星上长了“蘑菇”？

在火星探测历程中，一直以官方机构和科学家为主，不过NASA会公布他们拍摄的照片，这就给了一些其他科研人员研究的机会。

2015年1月27日，NASA在官网上公布了火星探测器机遇号火星车2004年执行任务期间，在老鹰撞击坑附近拍摄的一张彩色照片，照片上显示火星地表上冒出一颗颗圆形物体，泛着灰蓝色光彩。官方将其昵称为“火星蓝莓”，其实这是一种富含赤铁矿的矿物结石，证明了火星该地区曾有过古老的水环境。

1尽管我们现在还没有发现火星上有生命存在的迹象，

2但科学家们从未放弃对它的寻找，因为他们知道在极端环境中生命的潜力是很强大的，一切都有可能。

3火星上生命的可能性是天体生物学的一个重要课题，

因为它与地球的相似之处非常多而且又是我们的近邻。

4不过迄今为止，还没有发现火星上过去或现在有任何生命存在过的直接证据。

5累积的证据表明，在远古的挪亚时期，火星的地表环境具有液态水，

可能适合微生物的生存。不过可居住条件的存在并不一定表明生命的存在。

当我们问“我们在哪里可以找到外星生命”时，许多科学家会首先转向火星，因为它与地球相似的地方很多。火星的过去或许像地球一样适宜生命的存在。尽管我们现在还没有发现火星上有生命存在的迹象，但科学家们从未放弃对它的寻找，因为他们知道在极端环境中生命的潜力是很强大的，一切都有可能。

火星上生命的可能性是天体生物学的一个重要课题，因为它与地球的相似之处非常多而且又是我们的近邻。不过迄今为止，还没有发现火星上过去或现在有任何生命存在过的直接证据。累积的证据表明，在远古的挪亚时期，火星的地表环境具有液态水，可能适合微生物的生存。不过可居住条件的存在并不一定表明生命的存在。

对生命证据的科学搜索始于十九世纪，他们今天则通过望远镜和探测器的调查来继续进行着是否存在生命的探索。虽然早期的研究主要集中在现象学上，并且与幻想接壤，但现代科学研究强调的是对水、行星表面土壤和岩石中的化学生物标记以及大气中生物标记气体的研究。

艺术家的想像图，展示了火星被地球化后表面和大气的样子，图：Ittiz

我们对火星生命起源的研究特别感兴趣，因为它与早期的地球非常相似。火星气候寒冷，缺乏板块构造论（Plate tectonics）或大陆漂移学说（Continental drift），所以自赫斯伯利亚纪（Hesperian period）末期以来几乎没有什么变化。火星表面至少有三分之二地区的历史都已经超过了35亿年，因此，即使火星重来没有生命存在过，最佳的记录也可能保存了导致非生物发生的原生生物的条件。

在确认了火星过去存在地表液态水之后，好奇号和机遇号探测器便开始寻找过去是否存在生命的证据，这里包括基于自养型、化学营养型（化能）、或化学自养微生物过去的生物圈，以及远古时代的水，包括河流 - 湖泊等可能适合居住的环境（古代河流或湖泊相关的平原）。在火星上寻找行星适居性、埋藏学(与化石有关的)和有机化合物的证据是现在美国国家航空航天局和欧空局的主要目标。

沉积岩石中的有机化合物和火星上硼的发现使得我们对火星生命越来越感兴趣，因为它们是生物体形成（前生命化学）的前身。这些发现和先前在古代火星上明显存在液态水的发现，进一步的支持了盖尔撞击坑（Gale Crater）在早期的火星上具有可居住性这一观点。目前，火星的表面被太阳辐射所侵蚀，当太阳辐射与地表上的高氯酸盐反应时，它对微生物的毒性可能比之前想象的要大。因此，人们一致认为，如果火星上存在生命，那么必须存在于地表之下，这样才可以防止太阳辐射以及化学反应产生的毒性物质。

电子显微镜下的ALH84001火星陨石显现类似细菌的结构，图：NASA

2018年6月，美国宇航局宣布将探测火星上甲烷含量的季节变化。甲烷可以通过微生物或地质手段产生。欧洲外火星痕量气体轨道飞行器在2018年4月开始绘制火星大气甲烷的分布图，2020年外火星探测器将钻探并分析地下样品，而NASA火星2020探测器将储存数十个钻探样品。到21世纪20年代末或30年代，它们可能被运送到地球实验室。

2018年6月，美国宇航局宣布将探测火星上随其季节变化的甲烷含量。甲烷的产生机制可以通过微生物或地质来实现。在2018年4月欧洲的火星微量气体任务卫星（ExoMars Trace Gas Orbiter）开始绘制甲烷在火星大气中的分布图，2020年ExoMars探测器将钻探到火星地下并分析其物质成分，NASA的火星2020探测车任务将储存数十个钻探的火星地下样品。并可能会在2020年后期或2030年将样品送回到地球实验室。

适居性

化学、物理、地质和地理属性塑造了火星上的环境。这些孤立测量的因素可能还不足以满足适合居住的环境条件，但是累积的测量数据可以帮助我们预测到或多或少可能适宜居住的地点。目前用于预测火星表面具有潜在可居住性的两种生态方法分别使用了19种和20种环境因素，其中重点的是水的可用性、温度、营养物质必须的存在、能量来源的存在以及具有防止太阳紫外线辐射和银河宇宙辐射到达火星表面的保护措施。

好奇号在火星表面发现含硫有机物，图：NASA/GSFC

存在。

在远古时期的时候，火星上确实存在过生命，在大约30亿年前，火星的气候还比较适宜，大气层还没有消失，生命体还能存活在火星上，还存在大量的液态水，只不过火星的生命很快就迎来了终结。根据人类对火星的探测，已知火星上有辽阔的平原和高耸的死火山，还有古代河流侵蚀留下的干涸河床。但火星上的大气密度只有地球10%，其中953%为碳气，27%为氮气，16%为氩气，另外还有少量的氧气、氧化碳和水蒸气，因此不适合人类居住。

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