在對火星上一個名為蓋爾隕石坑的地點進行近六年勘測後，NASA 的“好奇號”探測器取得了可能是迄今為止在其尋找宜居性和生命跡象的征程中最大的發現：紅色星球岩石中富含有機分子，最簡單的有機分子甲烷，隨著季節變化在稀薄的火星空氣中吹過。在地球上，這種富含碳的化合物是生命的基礎之一。
這兩項發現都來自“好奇號”的火星樣本分析 (SAM) 儀器，這是一個微型化學實驗室和烤箱，可以烘烤少量空氣、岩石和土壤，以嗅探每個樣本的組成分子。古代泥岩樣本在 SAM 的烤箱中產生了多種有機分子——在一項獨立研究中，SAM 收集的五年大氣樣本追蹤了甲烷水平的波動，甲烷水平在火星夏季達到頂峰。這些結果發表在最近《科學》雜誌上發表的兩篇論文中。
儘管引人入勝，但就火星上過去或現在的生命而言，這兩項發現仍遠未確定。甲烷在氣態巨行星大氣等地方普遍存在。它也可能由流動的水和熱岩石之間無生命的相互作用產生，而其他簡單的有機分子已知存在於一些隕石和星際氣體雲中。“除非在火星岩石中拍到化石照片，否則[在那裡找到生命]在科學上極其困難，”NASA 噴氣推進實驗室的化學家、甲烷研究的主要作者克里斯·韋伯斯特說。
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火星上缺失的碳
火星擁有有機分子並不令人驚訝。像我們太陽系中的每個行星一樣，它不斷接受來自太空的富含碳的微隕石和塵埃雨。然而，當 NASA 的雙子座海盜號探測器於 1976 年降落在火星上時，他們的研究表明了一些令人震驚的事情：火星土壤似乎比無生命的月球岩石含有更少的碳。“這是一個很大的驚喜，”天體生物學家、好奇號泥岩研究的合著者卡羅琳·弗雷西內特在法國大氣、介質、空間觀測實驗室 (LATMOS) 說。“不幸的是，這減緩了整個火星計劃的程序。”
從那時起，科學家們就一直在熱切地尋找火星上缺失的碳——或者至少是對其缺失的解釋。2008 年，當 NASA 的鳳凰號著陸器在火星北極附近的土壤樣本中發現高氯酸鹽（含有氯的高活性分子）時，一個重要的線索出現了。在高能紫外線和來自太空的宇宙射線的共同作用下，高氯酸鹽會破壞表面上的任何有機物質，使得碳尋著陸器和探測器幾乎看不到任何東西。一些研究人員推測，火星上剩餘的有機物——以及任何過去或現在生命的跡象——都鎖在其地表深處。
然而，在 2015 年，“好奇號”首次試探性地探測到火星上的有機分子，在 SAM 中加熱到 800 攝氏度以上的土壤樣本中發現了受氯汙染的碳化合物。但在探測器任務的早期，研究人員發現富含碳的化學試劑從 SAM 的某些元件中洩漏出來，可能汙染附近的樣本。為了對抗汙染，“好奇號”團隊專注於尋找更多含氯有機物，並將後續 SAM 執行的溫度限制在 200 到 400 攝氏度之間。
在他們的新工作中，該團隊檢查了這種限制性過程可能遺漏的內容。在仔細考慮了來自 SAM 的背景汙染後，弗雷西內特和她的同事將 30 億年前的泥岩樣本在 500 攝氏度以上的高溫下烘烤，在這個溫度下，高氯酸鹽應該完全燃燒殆盡。在剩餘的灰燼中，他們發現了噻吩——相對較小且簡單的環狀分子，同時含有碳和硫。人們認為，後一種元素來自一種富含硫的礦物，稱為黃鉀鐵礬，之前的“好奇號”調查已在蓋爾隕石坑中 35 億年前的沉積物中發現了黃鉀鐵礬——當時隕石坑溫暖、潮溼且顯然宜居。研究人員懷疑噻吩的碳來自尚未確定的更大的有機分子，這些分子可能已被困在黃鉀鐵礬內部並儲存了數十億年。
儘管最新的發現具有零散性，但未參與這項工作的卡內基科學研究所的地球化學家喬治·科迪認為這是一個令人印象深刻的進步。他說，這些較大分子的存在暗示了隱藏在火星表面和地表以下的儲存完好的碳儲層——這一前景增強了未來任務收集樣本並將它們帶回地球的理由。“如果你能在火星上做到這一點，想象一下你在地球上可用的分析設施能做什麼，”他說。
甲烷峰值和季節變化
與此同時，“好奇號”進行了韋伯斯特所稱的“迄今為止最重要的火星甲烷測量”。含碳氣體意義重大，因為地球上大多數甲烷是由產甲烷微生物產生的，這些微生物在缺氧環境中很常見。甲烷也很容易被紫外線輻射分解，因此在火星上發現的任何氣體都可能是最近釋放的。韋伯斯特和他的同事使用 SAM，在過去五年中，在蓋爾隕石坑上方的大氣中發現了一個持續的甲烷背景水平，約為十億分之 0.4——當然，這是一個幾乎檢測不到的痕跡，但足以引起天體生物學家的興趣。值得注意的是，甲烷水平似乎與火星季節同步週期性地達到峰值，陽光明媚的夏季約為寒冷黑暗的冬季的三倍。
對於韋伯斯特來說，這種週期性是他團隊成果中最令人興奮的部分。之前的研究已經看到了火星上零星甲烷羽流的證據，但從未見過季節性重複發生的事件。“這就像你的汽車出了問題，”他說。“如果它不重複出現，你就無法找出問題所在。”他和他的同事推測，甲烷可能來自火星夏季融化的含水層，釋放出水，這些水流過地下的岩石以產生新鮮氣體。或者它可能是古代的，數十億年前由地質或生物過程噴出的，然後被困在冰和岩石的基質中，當被太陽溫暖時就會解凍。當然，還有一種可能，火星產甲烷菌即使在今天仍然在行星的地下深處沉睡，在氣候溫和的時期週期性地甦醒，以產生它們的氣態名片。
其他未參與這項研究的科學家對這些發現在尋找生命方面的意義褒貶不一。NASA 戈達德太空飛行中心的天體生物學家邁克爾·穆瑪認為這些測量非常重要，並表示它們為他使用地球望遠鏡獨立（且有爭議地）探測到的火星甲烷羽流提供了地面實況證據。但 NASA 約翰遜航天中心宇宙塵埃收集館的館長、行星科學家馬克·弗里斯持更懷疑的態度。他指出，富含碳的隕石和塵埃可能會在落入火星大氣層時產生報告數量的甲烷，並且年復一年的週期性與火星季節的時間並非完全一致。“基於現有證據的嚴謹方法首先要從科學上負責任的預設解釋開始，即火星現在和過去一直都是沒有生命的，”弗里斯說。“測試與此相反的假設需要非常強有力的證據。”此類測試可能很快就會到來，來自歐洲和俄羅斯聯合的火星微量氣體軌道飛行器的資料。它於 2016 年抵達火星，目前正在從高空繪製甲烷和其他氣體的濃度圖。
韋伯斯特本人表示，他對不同的解釋沒有任何偏好，並認為在得出任何最終結論之前還需要很長時間。弗雷西內特指出，這種漸進式進展是 NASA 火星探測計劃的全部意義所在。“這是一步一步來的，”她說。“一個任務接一個任務。”