在对火星上一个名为盖尔陨石坑的地点进行近六年勘测后，NASA 的“好奇号”探测器取得了可能是迄今为止在其寻找宜居性和生命迹象的征程中最大的发现：红色星球岩石中富含有机分子，最简单的有机分子甲烷，随着季节变化在稀薄的火星空气中吹过。在地球上，这种富含碳的化合物是生命的基础之一。
这两项发现都来自“好奇号”的火星样本分析 (SAM) 仪器，这是一个微型化学实验室和烤箱，可以烘烤少量空气、岩石和土壤，以嗅探每个样本的组成分子。古代泥岩样本在 SAM 的烤箱中产生了多种有机分子——在一项独立研究中，SAM 收集的五年大气样本追踪了甲烷水平的波动，甲烷水平在火星夏季达到顶峰。这些结果发表在最近《科学》杂志上发表的两篇论文中。
尽管引人入胜，但就火星上过去或现在的生命而言，这两项发现仍远未确定。甲烷在气态巨行星大气等地方普遍存在。它也可能由流动的水和热岩石之间无生命的相互作用产生，而其他简单的有机分子已知存在于一些陨石和星际气体云中。“除非在火星岩石中拍到化石照片，否则[在那里找到生命]在科学上极其困难，”NASA 喷气推进实验室的化学家、甲烷研究的主要作者克里斯·韦伯斯特说。
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火星上缺失的碳
火星拥有有机分子并不令人惊讶。像我们太阳系中的每个行星一样，它不断接受来自太空的富含碳的微陨石和尘埃雨。然而，当 NASA 的双子座海盗号探测器于 1976 年降落在火星上时，他们的研究表明了一些令人震惊的事情：火星土壤似乎比无生命的月球岩石含有更少的碳。“这是一个很大的惊喜，”天体生物学家、好奇号泥岩研究的合著者卡罗琳·弗雷西内特在法国大气、介质、空间观测实验室 (LATMOS) 说。“不幸的是，这减缓了整个火星计划的进程。”
从那时起，科学家们就一直在热切地寻找火星上缺失的碳——或者至少是对其缺失的解释。2008 年，当 NASA 的凤凰号着陆器在火星北极附近的土壤样本中发现高氯酸盐（含有氯的高活性分子）时，一个重要的线索出现了。在高能紫外线和来自太空的宇宙射线的共同作用下，高氯酸盐会破坏表面上的任何有机物质，使得碳寻着陆器和探测器几乎看不到任何东西。一些研究人员推测，火星上剩余的有机物——以及任何过去或现在生命的迹象——都锁在其地表深处。
然而，在 2015 年，“好奇号”首次试探性地探测到火星上的有机分子，在 SAM 中加热到 800 摄氏度以上的土壤样本中发现了受氯污染的碳化合物。但在探测器任务的早期，研究人员发现富含碳的化学试剂从 SAM 的某些组件中泄漏出来，可能污染附近的样本。为了对抗污染，“好奇号”团队专注于寻找更多含氯有机物，并将后续 SAM 运行的温度限制在 200 到 400 摄氏度之间。
在他们的新工作中，该团队检查了这种限制性过程可能遗漏的内容。在仔细考虑了来自 SAM 的背景污染后，弗雷西内特和她的同事将 30 亿年前的泥岩样本在 500 摄氏度以上的高温下烘烤，在这个温度下，高氯酸盐应该完全燃烧殆尽。在剩余的灰烬中，他们发现了噻吩——相对较小且简单的环状分子，同时含有碳和硫。人们认为，后一种元素来自一种富含硫的矿物，称为黄钾铁矾，之前的“好奇号”调查已在盖尔陨石坑中 35 亿年前的沉积物中发现了黄钾铁矾——当时陨石坑温暖、潮湿且显然宜居。研究人员怀疑噻吩的碳来自尚未确定的更大的有机分子，这些分子可能已被困在黄钾铁矾内部并保存了数十亿年。
尽管最新的发现具有零散性，但未参与这项工作的卡内基科学研究所的地球化学家乔治·科迪认为这是一个令人印象深刻的进步。他说，这些较大分子的存在暗示了隐藏在火星表面和地表以下的保存完好的碳储层——这一前景增强了未来任务收集样本并将它们带回地球的理由。“如果你能在火星上做到这一点，想象一下你在地球上可用的分析设施能做什么，”他说。
甲烷峰值和季节变化
与此同时，“好奇号”进行了韦伯斯特所称的“迄今为止最重要的火星甲烷测量”。含碳气体意义重大，因为地球上大多数甲烷是由产甲烷微生物产生的，这些微生物在缺氧环境中很常见。甲烷也很容易被紫外线辐射分解，因此在火星上发现的任何气体都可能是最近释放的。韦伯斯特和他的同事使用 SAM，在过去五年中，在盖尔陨石坑上方的大气中发现了一个持续的甲烷背景水平，约为十亿分之 0.4——当然，这是一个几乎检测不到的痕迹，但足以引起天体生物学家的兴趣。值得注意的是，甲烷水平似乎与火星季节同步周期性地达到峰值，阳光明媚的夏季约为寒冷黑暗的冬季的三倍。
对于韦伯斯特来说，这种周期性是他团队成果中最令人兴奋的部分。之前的研究已经看到了火星上零星甲烷羽流的证据，但从未见过季节性重复发生的事件。“这就像你的汽车出了问题，”他说。“如果它不重复出现，你就无法找出问题所在。”他和他的同事推测，甲烷可能来自火星夏季融化的含水层，释放出水，这些水流过地下的岩石以产生新鲜气体。或者它可能是古代的，数十亿年前由地质或生物过程喷出的，然后被困在冰和岩石的基质中，当被太阳温暖时就会解冻。当然，还有一种可能，火星产甲烷菌即使在今天仍然在行星的地下深处沉睡，在气候温和的时期周期性地苏醒，以产生它们的气态名片。
其他未参与这项研究的科学家对这些发现在寻找生命方面的意义褒贬不一。NASA 戈达德太空飞行中心的天体生物学家迈克尔·穆玛认为这些测量非常重要，并表示它们为他使用地球望远镜独立（且有争议地）探测到的火星甲烷羽流提供了地面实况证据。但 NASA 约翰逊航天中心宇宙尘埃收集馆的馆长、行星科学家马克·弗里斯持更怀疑的态度。他指出，富含碳的陨石和尘埃可能会在落入火星大气层时产生报告数量的甲烷，并且年复一年的周期性与火星季节的时间并非完全一致。“基于现有证据的严谨方法首先要从科学上负责任的默认解释开始，即火星现在和过去一直都是没有生命的，”弗里斯说。“测试与此相反的假设需要非常强有力的证据。”此类测试可能很快就会到来，来自欧洲和俄罗斯联合的火星微量气体轨道飞行器的数据。它于 2016 年抵达火星，目前正在从高空绘制甲烷和其他气体的浓度图。
韦伯斯特本人表示，他对不同的解释没有任何偏好，并认为在得出任何最终结论之前还需要很长时间。弗雷西内特指出，这种渐进式进展是 NASA 火星探测计划的全部意义所在。“这是一步一步来的，”她说。“一个任务接一个任务。”