火星生命探索指南

自從近四十年前第一批探測器登陸火星以來，天文學家已經瞭解了很多關於火星的資訊。

我們知道液態水曾經流經火星表面，並且火星和地球在早期歷史中非常相似。大約35億年前地球上出現生命時，火星比今天溫暖，擁有液態海洋、活躍的磁場和更稠密的大氣層。鑑於這兩個行星之間的相似性，認為在地球上導致生命出現的步驟也可能發生在火星上是合理的。

事實上，就我們所知，微觀生命可能仍然存在於這顆紅色星球上。過去35年中，我們對鄰居星球的每一次任務都考察了它的地質，而不是生物學。只有1976年著陸的雙子座海盜1號和2號探測器對另一個世界進行了首次，也是迄今為止唯一的一次生命搜尋。每個探測器都攜帶了四個與搜尋相關的實驗，每個實驗都返回了模稜兩可的資料。“海盜號”任務給我們帶來了難題，而不是答案。然而，我們現在知道，即使火星上存在生命，“海盜號”的方法也無法找到它——這意味著這顆星球是否孕育生命的問題仍然懸而未決。

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幸運的是，在過去的幾十年裡，微生物學家開發了大量用於檢測微生物的工具。這些工具現在在地球上已司空見慣。但是，如果將這些工具應用於即將前往火星的幾個任務之一，它們可能會帶來首次發現：關於我們最近的鄰居是否也充滿生機的明確答案。

首次搜尋

“海盜號”實驗使用當時標準的搜尋技術尋找生命。在最初的實驗中，著陸器取了一勺火星土壤，並添加了碳化合物作為土壤中可能存在的任何微生物的食物。如果微生物確實存在於土壤中，我們可能會期望它們消耗食物並釋放二氧化碳。

事實上，“海盜號”任務確實觀察到了這種行為。僅就其本身而言，該測試似乎表明火星土壤中存在微生物。然而，當與其他實驗的結果結合起來時，研究人員不能確定。

第二個實驗尋找光合作用的證據，但返回了不確定的結果。第三個實驗向土壤樣本中加入了水。如果存在生命，潮溼的土壤可能會產生二氧化碳。但結果卻產生了氧氣。這非常奇怪，因為地球上沒有已知的土壤會這樣做。科學家們得出結論，氧氣來自化學反應。

在最後的實驗中，著陸器在土壤中搜索了有機化合物。有機物是構成生命基石的含碳化合物。如果火星上存在任何生命，我們應該會發現這些化合物。然而，僅憑有機物並不能提供確鑿的生命證據，因為我們也期望隕石不斷地將有機化合物沉積在火星上。令人困惑的是，實驗根本沒有發現任何有機物的證據。

總而言之，這些發現讓調查人員感到困惑。大多數科學家認為化學反應是最後兩個實驗結果的原因，但化學無法完全解釋第一個實驗。一小部分但聲音響亮的火星科學家認為，第一個實驗實際上確實發現了生命的證據。但絕大多數其他人都得出結論，火星是貧瘠的。

2008年，在“海盜號”著陸32年後，當NASA的“鳳凰號”著陸器在火星北極地區著陸時，這些謎題的答案開始浮出水面。令所有人驚訝的是，“鳳凰號”探測到了高氯酸鹽，這是一種在地球上罕見的分子，其特徵是四個氧原子連線到一個氯離子，氯離子又連線到一個鎂離子或鈣離子。當高氯酸鹽達到350攝氏度時，它們會分解，釋放出活性氧和氯。高氯酸鹽具有很高的反應活性，因此被用於許多火箭燃料中。

這一發現讓調查人員意識到，高氯酸鹽很可能已經抹去了土壤中生命的跡象。“海盜號”的有機物搜尋實驗首先將土壤樣本加熱到500攝氏度，以便汽化任何有機分子並以氣態形式檢測它們。但在2010年，由墨西哥國立自治大學的拉斐爾·納瓦羅-岡薩雷斯領導的一個團隊（包括我們中的一位（麥凱））表明，高氯酸鹽會在加熱過程中完全破壞土壤中的任何碳化合物。

高氯酸鹽也解釋了第一個和第三個實驗的謎題。在第一個實驗中，向土壤中新增食物產生了二氧化碳。但是，高氯酸鹽在暴露於宇宙射線時會產生類似漂白劑的化合物。這些化合物可以分解有機分子（例如在新增的食物中發現的那些），在此過程中產生二氧化碳。在第三個實驗中，氧氣從溼潤的土壤中釋放出來。高氯酸鹽漂白劑的產生也會形成氧氣，但氧氣最初仍被困在土壤中。它只在稍後土壤被潤溼後釋放出來，就像“海盜號”上發生的那樣。兩個謎團都解開了。

然而，發現生命的希望並未破滅。“好奇號”探測器於2012年在火星著陸，並從此一直在採集土壤樣本。2014年初，由NASA戈達德太空飛行中心的保羅·馬哈菲領導的火星樣本分析（SAM）儀器團隊（包括麥凱）報告說，實驗在蓋爾隕石坑底部的古代泥岩沉積物中發現了碳化合物，即使在高氯酸鹽存在的情況下也是如此。後來，在2015年，SAM團隊報告說在火星樣本之一中發現了氯苯。複雜的有機物存在於火星上——“海盜號”只是無法找到它們。生命本身的情況會不會也是如此？

現代方法

自從“海盜號”著陸器建成以來的40年裡，微生物學技術發生了巨大的變化。“海盜號”任務使用了基於培養的方法，其中微生物在培養皿中生長。但這些方法不再被認為是決定性的，我們現在知道只有一小部分土壤微生物可以被培養。科學家們已經開發出靈敏得多的技術，可以直接檢測微生物生命形式中的生物分子。這些新方法為尋找火星生命證據提供了一種新穎的方式的基礎。

最廣為人知的方法是DNA檢測和測序。不再需要培養生物體，使其充分複製以提供足夠的DNA進行測序。幾個團隊正在研究將DNA提取技術融入適用於即將到來的火星任務的儀器中的方法。

依靠DNA檢測來揭示火星生命的一個缺點是，雖然DNA在地球上的所有生命中都很常見，但它可能不會出現在外星生命中。或者，即使它存在，它也可能非常不同，以至於為尋找地球生物學而構建的DNA檢測器會錯過它。

幸運的是，火星可能蘊藏著其他生命跡象。這些生物標誌物包括蛋白質和多糖。蛋白質是由生命使用的20種不同型別氨基酸的各種混合物組成的長線性鏈。氨基酸存在於隕石中，並且很可能是任何星球上生命起源前環境的常見成分。多糖是由酶（生物催化劑）構建的長鏈糖，酶本身就是蛋白質。

檢測像蛋白質或多糖這樣複雜的分子將是生命存在的有力證據，廣義上定義為：一種編碼資訊並使用該資訊構建複雜分子的生物系統。這些複雜的分子將在任何簡單的生命起源前分子的背景下脫穎而出，就像摩天大樓會在巨石堆中脫穎而出一樣。

我們中的一位（帕羅·加西亞）一直在開發一種用於檢測火星上此類複雜分子的儀器。它基於一種技術——免疫測定測試——該技術已用於同時檢測數百種不同型別的蛋白質、多糖和其他生物分子（包括DNA本身）。

免疫測定測試使用抗體——Y形蛋白質——每種抗體僅與一種型別的生物分子結合[見上圖]。在免疫測定測試中，將可能含有感興趣物質的溶液倒在一大片抗體上，每種抗體都設計用於與特定目標結合。如果樣品溶液包含與陣列中抗體連線的生物分子，則抗體將捕獲並透過結合來識別它。

免疫測定的一個優點是抗體可以檢測比完整蛋白質更小、更簡單的分子。因此，該測試可以搜尋與生命相關但複雜性較低的分子，例如已分解成碎片的蛋白質片段。發現這些碎片也意味著生命存在。

地球上所有生物共同包含數百萬種不同的蛋白質。有這麼多可供選擇，我們如何挑選出單個免疫測定測試可以搜尋的數百種蛋白質？ 簡短的回答是我們無法確定。但是我們可以根據兩種策略做出有根據的猜測：首先，我們可以搜尋對在火星上生存有用或必不可少的蛋白質。例如，我們可以搜尋消耗高氯酸鹽的酶、使微生物能夠在火星的寒冷溫度下生存的冷適應酶或修復火星強電離輻射對DNA造成的損害的酶。其次，我們可以將目標鎖定在微生物世界中普遍存在的分子，例如肽聚糖，它是所有細菌細胞壁的通用成分，或者三磷酸腺苷（ATP），地球上所有生物體都使用它來運輸化學能進行代謝活動。

即使火星的惡劣環境破壞了DNA和蛋白質等大型分子，我們仍然可能在碎片中找到生命證據。許多型別的分子在化學上是彼此等效的，但可能具有相反的“手性”——它們的鍵可能向左或向右扭曲。地球上的生命以左旋氨基酸為主。如果一個實驗檢測到氨基酸，並發現一組特定的氨基酸具有顯著的左旋或右旋手性，這將是生命存在的有力證據。有趣的是，如果這種手性是右旋的——與地球蛋白質相反——那將證明火星上的生命形式是獨立於地球生命進化而來的。

任務規劃

“海盜號”攜帶了三個生物學實驗；我們可以想象一個火星任務也攜帶三個生物標誌物搜尋儀器——可能是一個DNA檢測器、一個免疫測定微晶片和一個檢測和表徵氨基酸的儀器。這項技術已接近成熟。下一個任務是選擇一個目標——最有可能蘊藏生物標誌物的位置。

冰和鹽是生物標誌物的朋友，可以保護它們免受損壞和腐爛。敵人呢？電離輻射和熱量。幸運的是，火星上的低溫使熱衰變可以忽略不計，即使在行星的整個年齡段也是如此。然而，電離輻射可能會在數十億年內完全摧毀地表一米左右範圍內的生物標誌物。因此，有希望的目標是可能蘊藏著近期生命的冰冷地點——例如靠近火星北極的“鳳凰號”著陸點——或者侵蝕最近暴露了古代物質的地點。在任何一種情況下，人們都會希望向下鑽探，從地表以下一米或更深的地方提取樣本。

目前正在計劃的火星任務可以進行這項搜尋。計劃於2020年進行的歐洲“火星太空生物學”任務應該能夠攜帶鑽頭。NASA正在開展一項任務，該任務將於2020年發射另一個“好奇號”探測器的複製品。“火星太空生物學”任務和新的“好奇號”可以搜尋火星乾燥的赤道地區，以尋找鹽和沉積物中的生物標誌物。（這兩輛探測器都無法在極地地區工作。）

至於極地搜尋，NASA正在研究一種名為“破冰者”的廉價著陸器，它可以完成這項工作。它配備了一米長的鑽頭和免疫測定儀器，可以搜尋火星北部富含水的永久凍土帶，以尋找冰凍地面中的生物標誌物。

這些任務中的任何一項都將是領導下一代火星探索的有力候選者。過去幾十年的研究毫無疑問地表明，火星曾經蘊藏著液態水。現在是時候檢驗一下，這個曾經充滿水的星球是否為任何生命形式提供了家園。如果我們在火星上發現生物分子——尤其是當這些分子表明火星生命獨立於地球生命產生時——我們將對我們家園以外的生命獲得深刻的見解。正如我們知道有許多恆星和許多行星一樣，我們將知道有許多生物學。我們將知道宇宙充滿了多樣性。