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火星上有生命存在吗?让我们来分析一下证据

2020/7/1 0:13:30 来源:原创 浏览:

自从19世纪以来,人们一直沉迷于在火星这个“红色星球”上寻找生命的痕迹,但是“火星上存在生命”这一假设是否有任何真正的基础依据,理查德·A·罗夫特从数据中筛选证据。

证据的搜索还在继续。美国宇航局的InSight着陆器于2019年2月12日在火星表面上放置了他的热探针,也被称为热和物理的属性包。

图片来源:美国宇航局

1877年,意大利天文学家乔范尼·夏帕雷利将他的21.8厘米的望远镜放在火星神秘的磁盘上——当时这是最好的望远镜。

科学家们早就知道,火星本身就并不是一个单纯存在于天空中的光点,而是一整个世界,但是夏帕雷利是第一个尝试对其进行详细绘制的人。

他观察到了黑暗的区域,并且认为这些区域是海洋,由数百里长的线性特征相连。他将这些线性特征成为卡纳利,从技术层面上来讲,这一术语的含义是:渠道,但是在英语里被翻译成“运河”。

在19世纪的70和80年代,夏帕雷利一次又一次地绘制了火星的地图,并说服自己说运河系统正在迅速地扩张——就像先进的文明正在拼命地试图在干旱地情况下保持其供水一样。

图为火星地图变化

来源:腾讯新闻

甚至是在当时那个年代,夏帕雷利的许多同事还是十分质疑他的这一假说,美国天文学家戴维·温特劳布,在其2018年发表的 著作《火星上的生命》(普林斯顿大学出版社)中提到,这些特征是否仅仅是夏帕雷利的望远镜存在光学上的设计不良或者是他的错误猜想导致的。

但是夏帕雷利的观点激发了公众的想象力。其他人甚至表示,这一颗“红色的星球”,之所以有这样红的颜色是因为它富有茂盛的植被,就像它被日本的枫树覆盖了一样。1938年,奥森·威尔斯的电台改编的《世界大战》的广播剧使成千上万的听众惊慌失措,该广播剧使听众们坚信火星的使人致死的“魔法棒”就要出现在自家门口了。1976年,当美国宇航局的维京1号人造卫星拍摄了第一张火星的清晰的图像的时候,一个被称为是“火星上的面孔”的照片作为“类似人类的外星人曾经存在于我们的相邻行星——火星”的证据,刊登在小报上,成为轰动一时的新闻,并制造了巨大的反响,甚至使古埃及人蒙羞。

现在我们知道了,所谓“火星上的面孔”,像是运河一样,也是光影和我们玩的“小把戏”。但是,在火星上寻找生命的过程仍在继续。轨道飞行器和着陆器已经证明了,火星曾一度与地球存在诸多相似的地方,一样有海洋、湖泊和河流,此外,火星上还拥有比今天地球的薄膜还要浓密的大气层。

现在,关于这颗“红色星球”,最早的纪元被官方命名为“挪亚人时期”——这一命名来源于使人想起大量的水的图像。

如今,关于火星最迫在眉睫的问题不是是否曾经有适合人类居住的环境——实际上,在遥远的过去的各个时期里,它确实是适宜人类居住的——但是,现在的问题是,火星是否可以在气候变得过于寒冷和干燥前,使得生命得以延续和生存。如果火星可以的话,那么这将是天体生物学家称之为生命“第二个起源”的证据(第一个起源是源于我们自己)。

即使是第二种起源,也永远不会超出单细胞微生物的范畴,这也意味着在我们自己的太阳系中,生命的数量增长了至少两倍。如果这发生在这里,它将多久会在天文学家们一直寻找的行星上,围绕着遥远的恒星旋转着发生一次呢?以及,其中的某些微生物大概多久才能演变成我们这样的生物呢?

在火星上找到生命的最简单的方法是,是否存在一个,来自科幻小说家的梦中的类似有多个触手的什么东西,从岩石背后跳出来,向我们招手:“欢迎光临,地球,我在这里!”第二简单的方式则是,是否流浪者可以挖出一些土壤样本,并有一堆蠕动的微生物存在于在这些土壤样本中。

但是火星的表面是一个极其恶劣的环境,如果存在或者曾经存在过生命的迹象,可能都很难发现。但是这并不意味着一点可行的寻找方法都没有。

1 |寻找岩石中的结构

在地球上,这意味着化石,也就是“恐龙的骨头”,欧洲航天局ExoMars项目的科学家乔治·瓦格说,“如果能看到任何类似的东西,这就可以表明他还活着。”

但是可悲的是,这并不适合微生物。因为瓦格说,“我们需要一台电子显微镜才可以观察到微生物,然而火星上没有电子显微镜。”即使我们可以把电子显微镜带到火星上,“微生物们也都是很小的杆和球,并且与生命无关的所有过程都能产生杆和球。”

迄今为止,对火星的密集检测至今都无法为“火星上存在生命”这一假设提供证据。

图片来源:美国宇航局

1984年,科学家在南极的艾伦丘地区发现了一个1.9千克的陨石,而这一陨石被证明是古代小行星从火星表面炸掉的碎片。

然而当电子显微镜的图像显示出类似于化石微生物的棒状结构时,科学家对这一结果感到十分兴奋,甚至于当时的美国总统比尔·克林顿在白宫简报中也提到了这一点。然而这一切都落空了。

“它很快就被证明这与火星上是否存在生命无关。”位于加利福尼亚州帕萨迪纳的美国宇航局喷气推进实验室的澳大利亚地质学家和天体生物学家阿比盖尔·澳尔伍德说,“这要么是岩石的陆地污染,要么就不是生物污染。”

这件事之后,澳尔伍德说,艾伦丘陨石的其他特征被认为具有生物学起源,但也可能因为,被认为是地质过程的结果而被科学家们否定。

她认为,这一问题的根源在于,火星陨石仅仅只是被从其地质环境中剥离出来的岩石。澳尔伍德还补充说:“如果我们对岩石形成的背景有所了解,那么我们将能够确定生物学或非生物学假设是否正确。陨石的问题是我们在地球上没有那样的形成环境。”

但是,此问题不适用于在火星表面运行的漫游者,漫游者可能能够检测到整个微生物菌落留下的痕迹。瓦格说,“不仅仅只有一种微生物,而是数十亿种的微生物。”

在地球上发现了这样的地层,澳尔伍德领导的团队正是在诸如西澳大利亚的皮尔巴拉地带等地方,在34.3亿年前的岩石中发现了称为叠层石的特征——由单细胞生物垫形成的丘状结构。

瓦格表明在火星上也可以找到类似的地层,特别是在曾经是湖底、靠近喷灰火山的地区。他说,“如果有生命,烟灰的沉降方式会有所不同,各个地层将会形成大致水平的地平线。”

但是,如果湖底有微生物菌落,那么这些微生物就会卷起来,将沉积物的颗粒捕捉到叠层石状的结构中,“会有一种印迹表明,微生物们就在那里。”

2 |古代岩石中的生物特征

能找到含有与生命有关的化学物质的岩石,这几乎和发现化石一样,是值得高兴的事情。

科学家们并不是要寻找与我们自身存在的脂质、蛋白质、DNA同类的化学物质,相反的是,他们将会寻找火星上的生命用来替代此类化学物质的残留物。瓦格和其同事们在2017年发表称,这些残留物质可能难以保存数十亿年,但是即使它们与地球上的生命的化学构造完全不同,他们有四个特征可以使他们长存。这四个特征分别是:

同手性:

许多有机分子都是不对称形状的,这意味着它们有“左手”和“右手”两种形式。非生物过程往往会产生相同数量的生物。而生物的过程则只会产生一个或者其他的生物。尽管好奇号漫游者在火星上发现了有机化学物质,却没有检测它们手性的能力。

分子结构和质量的“聚类”:

地球的生命倾向于在限制的尺寸范围内构建基块。例如,尽管没有理论上的缺陷,脂质不具有更多或者更少的碳原子,但是它们的碳原子数量都倾向于在14-20个之间。同理,我们的DNA和RNA使用的五个核苷酸碱基(四个用于DNA,另一个在RNA中)的分子量在112到151之间,而我们用来制造蛋白质的氨基酸的分子量则是75-204。瓦格说,“如果您发现有化合物的‘孤岛’,那么这种聚类就是一种生物特征。”

重复分子亚基

正如我们所知,生命将化学物质制成碎片,一次添加一个子单元。我们在蛋白质和DNA中看到了这一点,但它也以较小的分子(如脂质)的形式出现,它们以两个碳原子的单位组装-意味着它们倾向于具有偶数个碳原子(14、16、18等)。类异戊二烯-精油和色素的成分,包括叶绿素-被组装成五碳亚基。即使这些化学物质随时间分解,它们的降解产物仍保持相似的模式。瓦格说:“除非涉及生命,否则这一切都是不会发生的。”

同位素的比例

至少在我们所认知的范围内,生物过程的各种工作方式略有不同,其化合物包含重要原子——比如碳原子,的不同同位素。非生物工作过程则不会有这种倾向情况。在地球上,最明显的例子就是碳的两个稳定同位素:12C和13C,而较重的13C的同位素则不受欢迎。这种影响虽然不大,但通过测量这两种碳元素的同位素的比率,就足以确定含碳化合物的来源是生物来源还是非生物来源。这甚至可以用来确定怀疑,运动员使用药物作弊的相关物质:类固醇和激素是实验室合成的还是由自己的身体产生的。在火星上,任何相较于背景水平的,12C/13C的比率变化都将是有生命存在的迹象,而不是地质活动的标志。

3 |甲烷吸气

当然,未来的漫游者可能会挖出活的生物体,而不是古代岩石中降解出来的化学物质。但可以很确定的是,“如果你的有效载荷可以检测到过去生活中更具有挑战性到迹象;如果你想要采集到含有微生物的样本,那么仅仅是在公园里散个步就可以检测出其中的化学成分。”瓦格这样说道。

但是寻找到现存的生命迹象的另一种方法则是:测试火星大气中的甲烷含量。在地球上,甲烷主要是由生物活动产生的,包括牛放的屁到正在分解的植物等等。但是甲烷也可以由地质的活动过程产生,例如水和一种叫做橄榄石的矿物在蛇化过程中产生相互作用,因为在这一过程中会产生绿色的岩石,被称为蛇纹石。

图为:火星大气

图源:新浪

JPL科学家克里斯·韦伯斯特说,2004年,ESA的火星快车轨道飞行器在地球各处发现了甲烷的痕迹,但令人沮丧的是,因为每一次勘测到甲烷都是一次性事件,没有可辨认的模式。

紧接着,在2018年,韦伯斯特报告说,好奇号火星车经过了六个地球年(三个火星年)的测量,发现甲烷的大气水平在夏季达到峰值,并会在秋季和冬季有所下降——但这并不一定是在表明甲烷可以产生微生物,而这些微生物则在温暖的天气中醒来,在冬天的时候进入冬眠状态。韦伯斯特说:“这是我们第一次在甲烷的产生过程中看到多次重复出现的东西,但是我们并不知道,它是来自岩石化学还是微生物。”

但是这一发现出现了一些问题。几个月后,在华盛顿特区举行的美国地球物理联合会的2018年会上,瓦格的团队报告说,自2016年以来,一直在火星上空飞行的ESA的“痕量气体轨道飞行器”无法在火星大气中的任何地方找到可测量的甲烷量。但是这并不意味着就不可能出现局部膨胀的现象,例如好奇号火星车在大风火山口中观察到的,但这确实引发了人们对甲烷在全球范围内的显赫性的疑问。

4 |继续深挖

科学家们一同认同的一件事是,如果火星上存在甲烷,则可能是由于微生物活动的季节性变化,或者更可能是由于地表允许气体从更深处逸出的能力,在随着季节发生变化,导致甲烷从地下渗出。

我们还知道,火星的表面是极度荒凉的,这是由于火星的大气太过于稀薄,以至于无法阻挡强烈的辐射和高浓度的氧化性化学物质(例如高氯酸盐)。 “我们使用高氯酸盐进行灭菌。”加拿大安大略省约克大学的行星科学家约翰·摩尔斯这样说。

科学家在土卫二和火星上定殖微生物

图片来源:SPACE

我们所需要做的是关注火星表面上下面的物质,而不是破坏性的辐射和氧化剂。 美国宇航局的InSight着陆器于2018年11月26日降落,将通过监测火星地震的地震回波开始这一过程,地震回波的振动可以揭示火星内部的许多情况。但是这一过程的结果将是深部地球物理学家最感兴趣部分。JPL的行星科学家和物理学家弗拉达·斯塔门科维奇说,下一步就是使用遥感技术寻找可能有水的地方,然后尽可能深入地进行钻探。

这听起来就像是一项非常艰巨的任务,但实际上,我们并不需要将数吨的建筑材料运到火星上,也不需要设置类似于石油井架的东西。相反,斯塔门科维奇说,这可以通过称为“电缆钻”的方法来完成。他说:“我们可以深入到和导线一样的深度。”“有些电线的长度不到一公斤。”斯塔门科维奇和他的同事在今年1月的《自然天文学》上写道,还可以通过减轻重量的方法:具体的做法是压缩火星大气中的二氧化碳,并用它代替传统的钻井液将物质冲洗回地面。

可能有人会猜到。但是在《自然地球科学》2018年的一篇论文中,由斯塔门科维奇领导的另一个团队认为,我们可能会钻探到一个不仅有能够生产甲烷的细菌,而且还能支持有氧生命的地区。目前,氧气仅占火星大气层的0.145%(相比之下,地球占21%),但是斯塔门科维奇的小组通过计算得出,在已知地表附近发生温度和压力的条件下,令人震惊的是大量氧气可能会溶解在如盐水般的火星地下水中——这远远超出了支持像地海绵一样复杂的需氧生物的能力。

并不是说氧气是这些生物唯一需要的东西。 “有氧生活还有许多其他要求,”西雅图华盛顿大学的行星科学家戴维·卡特林说。但是,今天那里可能有足够的氧气来支持相对复杂的生态系统,而这一想法,着实令人兴奋。

5 |原始空气中的痕迹

无论您是要寻找现今的生活还是长寿的征兆,主要问题是火星大气层是否足够厚,足以加热地球,使其有形成现在生活的机会。

有大量的地质证据表明,火星曾经具有十分高到温度,到存在大量液态水。但这是在很长一段时间内存在的现象还是仅仅是在短期内发生的?摩尔斯说,这是一个悬而未决的问题。

这是美国宇航局自2014年以来一直在绕地球运行的航天器:火星大气层和挥发层演化(MAVEN),这一航天器主要用于研究火星大气层与行星际空间如何相互作用。科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室的首席研究员布鲁斯·雅科斯基说:“我们已经能够确定的是,火星的温度现在已经没有那么高了。”

这听起来像是,火星在最初存在十分厚实的大气层的证据,大气层可能需要一段时间才能被侵蚀,而被侵蚀后的大气层则足以使地球陷入深度冰冻。但这目前并无定论。火星大气有时可能很厚,有时又很稀薄,这也就是为什么摩尔斯会提出火星存在间歇性变暖和变冷现象。

“把火星的大气层视为我们钱包里的钱。” 捷克斯基这样说道:“我们可能会付出很多钱,但这并不能决定我们是否有足够的时间。我可能会不断地从ATM机中提取现金,但是我们的钱包里依旧有可能,随时都只有几美元。”地球是否足够温暖,一小段时间足够长,生命是否有现实的开始生存下来的机会,这可能都是火星上可以存在生命的至关重要的因素。

6 |选择合适的地方寻找

美国宇航局的下一个发射器,即“火星2020”火星探测器,将前往一个45公里宽的盆地,即火山口湖。之所以选择它,是因为它曾经是一个湖泊,一条河流从周围的高地流进来,形成了一个大三角洲。“三角洲非常善于保存生物特征,而生物特征的证据可能存在于湖水中,或沉积物与湖水之间的界面,或者可能是被河水冲刷的生物中的生命。根据天文在线发布的新闻稿,项目科学家肯·法利在2018年末的新闻发布会上这样说道。

但是像火山口湖三角洲这样的地方并不是唯一可以保留生命迹象的地方。新南威尔士大学澳大利亚天文生物学中心主任马丁·范·克兰东克表示,也有可能是在类似起源生命的地点中寻找生命迹象。

科学家曾经认为,这些地方本来是海底热液喷口,在那里,有重要的化学物质从地壳深处排出。但是目前的理论认为,像美国黄石国家公园那样的温泉池可能是更好的选择,因为尽管海底通风口可能散发出许多有趣的化学物质,但它们没有太多时间来形成更复杂的益生元。 范·克兰东克说:“它们只是消散、然后消失。”

图为:美国黄石公园温泉池


另一方面,温泉池没有这种问题。他们还经历了水位的波动,从而导致干湿循环的变化——实验室通过实验表明,正是这种情况使小分子连接到越来越大的链中。范·克兰东克说:“它们是复杂的机器。”

这些温泉还产生二氧化硅矿物,范·克兰东克将其描述为“地质世界的埃及墓”。它完美地保留了特征,包括生命的迹象。”

此外,据称它们还存在于火星上,发现了2007年美国宇航局的“精神漫游者”漫游者在古瑟夫撞击坑哥伦比亚山地区的一个名为本垒板的位置发现了其中的一个残余物。范·克兰东克说:“我们认为生命的第二次起源可能是在火星上发生的,因为它具有与现在认为的,地球大气组成成分有关的成分。”

那么火星上是否存在生命第二个起源?我们目前拥有的唯一证据是我们尚未找到它。

如果生命仍然存在,它很可能已经退至地下十分远的地方,以至于我们迄今使用的那种轨道工具和漫游车是看不见的。但这并不意味着它不存在。到目前为止,我们还没有发现任何古代生命的真实特征,也没有任何事实证明它不存在。即使在地球上,古代生命的痕迹也很少见且分散。

如果有一天我们发现了这样的痕迹,那么科学的颂歌之一就是,非同寻常的主张需要非同寻常的证据。对于火星上的生命,JPL的艾尔伍德表示,这意味着“必须接受的每个生物学假设”都必须被排除在外。没有如果、但是和或许。关于火星生命的证据将需要绝对证据。

这是一项艰巨的任务,但艾尔伍德认为,这不可能。她说:“我认为只要生命在那里,证据就在那里。” “这取决于我们能完成的工作。”

作者: Richard A. Lovett

FY: milkteaa

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