當看到火星生命的時候，我們能認出他們來嗎？

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編者按：美國國家航空航天局（NASA）于7月30日發(fā)射了“毅力號”（Perseverance）火星探測器，前往火星上35億年前曾是河流三角洲的區(qū)域，探尋古微生物的遺跡。神譯局相關文章：《探索火星生命之路任重道遠，這 3 個奧秘值得關注》。本文作者丹尼爾·奧伯豪斯（Daniel Oberhaus），原文標題“Will We Recognize Life on Mars When We See It?”。

圖片來源：Courtesy of NASA/ Wired

珀西瓦爾·洛厄爾（Percival Lowell）并不是第一個以為自己能在火星上發(fā)現(xiàn)生命的人，但他是最后一批。在19世紀末和20世紀初，洛厄爾出版了一系列著作，宣傳了自己的理論，即“紅色星球”表面的可觀察到的特征是瀕臨滅絕的智慧物種的創(chuàng)造。洛厄爾所著迷的對象正是更廣泛的天文學界的不齒，就是所謂的“火星運河”，他認為這是用來從行星冰蓋引水的。

自60年代中期以來，NASA就一直在用機器人進行火星探測，由于這些任務，我們現(xiàn)在可以非?？隙ǎ鹦巧蠜]有任何“外星工程師”。（對不起，洛厄爾。）但是這些飛船確實找到了大量的地質(zhì)證據(jù)，表明火星表面可能曾經(jīng)有液態(tài)水、磁場和厚厚的大氣層，在生命的先決條件方面，這些排在首位。換句話說，仍有基本生命形式曾經(jīng)存在于火星的表面。

7月30日，NASA發(fā)射“毅力號”，這是一趟單程旅行。這個汽車大小的機器人地質(zhì)學家在火星上的第一年將鉆探核心樣本，尋找古代生命的跡象。（十年內(nèi)的另一個任務是把樣本送回地球。）“毅力號”將在其著陸點耶澤洛隕石坑附近收集至少20管沙土，科學家認為這曾是距今40億年前的三角洲。如果火星曾經(jīng)有過生命，那么古老的耶澤洛三角洲是有希望找到的地方。

但不要期待“毅力號”能夠找到任何骨頭或貝殼，它要尋的是化石微生物，而不是軟體動物。甚至找到完整的細菌也將是一個驚人的。麻省理工學院的實驗地球生物學家、“毅力號”樣本選擇十人指導團隊的成員坦賈·波薩克（Tanja Bosak）說：“那將是一個完全的美夢?！?相反，“毅力號”尋找潛在的生物特征，即數(shù)十億年前微生物留下的微弱分子痕跡。如果“毅力號”在火星上發(fā)現(xiàn)了生命，那將不像在樹林里遇到一個陌生人，而更像是發(fā)現(xiàn)他們的足跡。

如果“毅力號”在火星上發(fā)現(xiàn)了生命，那將不像在樹林里遇到一個陌生人，而更像是發(fā)現(xiàn)他們的足跡。

當波薩克不研究其他星球上的遠古生命時，她研究地球上最早的生命，她說這個過程類似于“毅力號”將在火星上進行的工作。為了追蹤地球上的古代微生物，地球生物學家們尋找只能由生物過程形成的巖層中的模式。例如，疊層石是注入了幾層波薩克稱為“有機垃圾”的巖石。這些薄薄的化石藻類和其他原始生物形成的沉積物具有肉眼可見的獨特波浪狀。

“微生物啊，你永遠不會真正只看到一個細胞。 它始終是一個肉眼可見的群落，” 波薩克說道，“地球和火星上有機物和礦物質(zhì)之間的基本相互作用應該是相同的，因此我們將使用攝像頭來尋找這些不同種類的微生物形狀?！?/p>

如果“毅力號”能在火星上找到疊層石，那將是一件大事，但仍不足以證明外星微生物的存在?！耙懔μ枴边€必須在同一地點找到通常與生命相關的大量分子。 “所有細胞都在代謝，” 波薩克說道， “它們從環(huán)境中吸收分子并吐出其他東西?！?這可能包括諸如磷和氮之類的基本元素，或者諸如膽固醇之類的更復雜的有機分子。在最理想的情況下，“毅力號”將發(fā)現(xiàn)對生物至關重要的脂質(zhì)或其他生物分子的化石痕跡。 “毅力號”的挑戰(zhàn)將是尋找散落在火星表面的這些化石分子。

此過程的第一步涉及叫“超級攝像頭”的儀器，這是一系列固定在“毅力號”桅桿上的激光器，可以遠距離研究巖石。 一個激光器通過將巖石加熱到18000華氏度來蒸發(fā)巖石。這將生成“毅力號”可以拍照以了解該巖石元素組成的原生質(zhì)。另一個激光器與火星土壤中的分子相互作用但不破壞它們的化學鍵，并且通過改變激光燈的方式，來揭示了巖石中有了哪些化合物。

如果“超級攝像頭”檢測到有機分子或諸如氮或磷等元素的高濃度狀態(tài)，那么“毅力號”將過去進行進一步觀察?！耙懔μ枴北勰┒说膬蓚€儀器，PIXL和Sherloc，使用更多的激光器來獲取巖石的詳細信息。PIXL使用X射線束來繪制巖石元素化學的熒光圖，Sherloc使用像人發(fā)一樣寬的紫外線來檢測任何可能藏于灰塵顆粒中的有機物質(zhì)。

“這是我們研究地球上最早的生命記錄時所使用的技術類型，”NASA2020年火星飛行任務的副項目科學家、噴氣推進實驗室的天體生物地球化學實驗室主任肯·威利福德（Ken Williford）說， “我們在地球上發(fā)現(xiàn)古代生物特征，不僅是通過測量巖石的整體化學性質(zhì)。我們還繪制出了有機物在巖石中的位置，這使我們能夠一起尋找類似生命跡象的紋理和成分?！?/p>

一旦“毅力號”發(fā)現(xiàn)一塊有希望的紅土塊，波薩克和她的同事將要決策是否在該位置采集樣本，稍后返回地球。這是一項高風險的決定——“毅力號”只能存放大約幾十個樣本，一旦做出決定，就不可逆了?！耙懔μ枴痹诨鹦巧系牡谝荒暌辈楹芏嗟乇?，因此它沒有時間重新訪問以前的樣本站點。而且，天體生物學家并不是唯一需要火星巖石的科學家。 一些樣本將用于解答其他的基本問題，例如火星表面的可居住條件持續(xù)了多長時間，以及這些條件是什么樣的。

地球上最古老的、無爭議的生命證據(jù)大約存在35億年。 早于這一個時間點的微生物化石記錄因為十幾億年前激烈的地質(zhì)運動而變得變形扭曲、難以辨認。威利福德預計“勇氣號”研究的巖石將比地球上最古老的生命證據(jù)早大約3億年。而且，如果我們幾乎無法認出自己星球上最古老的生命，那么在火星上可能更難認出它。威利福德說：“任何生命跡象，都可能是模棱兩可，而不是清晰明了的”。 即使“毅力號”發(fā)現(xiàn)了一些可以作為地球上古代生命的有力證據(jù)的生物特征，威利福德說，在樣品被送回還并使用更精密的儀器進行研究之前，科學界可能會保留判斷。 “影響就是會太大了，”他說道。

圖片來源：Pexels

如果你不知道要尋找的東西，你怎么找到它呢？

當然，在尋找火星生物特征時，“毅力號”也可能會空手而歸。喬治敦大學的行星科學家莎拉·斯圖爾特·約翰遜（Sarah Stewart Johnson）說，但這并不一定意味著地球上沒有生命。 這可能只是意味著，其他星球上的生命看起來與我們自己的生命不同。但是，如果你不知道要尋找的東西，你怎么找到它呢？

2018年，NASA的天體生物學計劃向約翰遜和一個國際研究團隊提供了700萬美元的資助，以找出答案。 如今，約翰遜領導著新的“不可知生物特征實驗室”，她將其描述為，努力理解“我們所不知道的生命”?！耙懔μ枴睓z測可能的生物特征的技術都假定了火星上的生命以與地球上的生命相似的方式進化，因此它尋找類似生物化學的證據(jù)。 約翰遜的實驗室致力于尋找用以檢測不遵循地球遺傳規(guī)則的生命的方法，這有點像學習說一種從未聽說過的語言。

約翰遜說：“不可知生物特征的主要思想是，它們包括了我們所知道的生命以及其他類型的生命?！?例如，她和她的同事認為，分子的復雜性可能是一種重要的生物特征，它不依賴于陸地生物化學?；瘜W化合物有一定的復雜性閾值，超過這一閾值，如果沒有生物過程的幫助，幾乎不可能形成。約翰遜和她的同事的任務是，弄清楚如何以有意義的方式定義這種復雜性。約翰遜說：“你不能只看大分子，因為有很多分子，例如聚合物，確實很大，但它們只是重復相同的亞基?！?/p>

相反，約翰遜和她的同事們將復雜性視為一個過程。也就是說，產(chǎn)生給定的分子需要執(zhí)行多少個不同的“步驟”？每個步驟都類似于添加一種新型的分子鍵。他們的研究表明，復雜性的閾值大約在14或15個步驟左右。超過這一閾值，幾乎可以肯定任何分子都是通過生物過程形成的。

約翰遜的實驗室正在研究其他潛在的不可知生物特征，例如某些類型的還原-氧化反應，這些反應在原子之間轉(zhuǎn)移電子 這是微生物一級能量轉(zhuǎn)移的主要來源，尋找不同類型的氧化還原反應可能會被用于識別與我們的生物化學沒有共同點的外星生命。

約翰遜和她的同事們正在探索各種不可知的生物特征，但是她說，它們之間是有關系的，因為他們采用了一種概率的方法來檢測生命。約翰遜說：“我們正在努力從“是生命”或“沒有生命”的二元性轉(zhuǎn)向確定性的光譜。 “如果我們以概率的方式思考生物或隨機過程，我認為這可以使我們?nèi)サ煤艽蟮倪M展。與確定的生物特征相反，我們是在研究‘生物提示’?！?/p>

我們正在努力從“是生命”或“沒有生命”的二元性轉(zhuǎn)向確定性的光譜。

不可知生物特征研究仍處于初期，但約翰遜很樂觀，她和她的同事開發(fā)的技術可能能夠在本十年后期幫助分析“毅力號”采回的樣本。它們也可能在不久后的NASA外太陽系中的衛(wèi)星泰坦和衛(wèi)星歐羅巴的任務中發(fā)揮作用，許多行星科學家認為這兩顆衛(wèi)生是我們太陽系中最可能有外星生命的。

如果外星有生命，那么很有可能會與我們大不相同。木星的衛(wèi)星歐羅巴被厚厚的冰層覆蓋，是被認為掩蓋整個星球的海洋，這意味著，那里的任何生物會在地表深處的熱液噴口周圍冒出。土星最大的衛(wèi)星泰坦具有很厚的大氣層，富含碳化合物，并且在其表面之下可能還會有大量液態(tài)水。科學家們尚不確定他們到達時會發(fā)現(xiàn)什么，但是如果約翰遜和她的團隊成功了，他們將擁有一套全新的工具來幫助他們識別外星生命。

圖片來源：Pexels

譯者：沈晨燁