火星生命探索指南

自从近四十年前第一批探测器登陆火星以来，天文学家已经了解了很多关于火星的信息。

我们知道液态水曾经流经火星表面，并且火星和地球在早期历史中非常相似。大约35亿年前地球上出现生命时，火星比今天温暖，拥有液态海洋、活跃的磁场和更稠密的大气层。鉴于这两个行星之间的相似性，认为在地球上导致生命出现的步骤也可能发生在火星上是合理的。

事实上，就我们所知，微观生命可能仍然存在于这颗红色星球上。过去35年中，我们对邻居星球的每一次任务都考察了它的地质，而不是生物学。只有1976年着陆的双子座海盗1号和2号探测器对另一个世界进行了首次，也是迄今为止唯一的一次生命搜索。每个探测器都携带了四个与搜索相关的实验，每个实验都返回了模棱两可的数据。“海盗号”任务给我们带来了难题，而不是答案。然而，我们现在知道，即使火星上存在生命，“海盗号”的方法也无法找到它——这意味着这颗星球是否孕育生命的问题仍然悬而未决。

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幸运的是，在过去的几十年里，微生物学家开发了大量用于检测微生物的工具。这些工具现在在地球上已司空见惯。但是，如果将这些工具应用于即将前往火星的几个任务之一，它们可能会带来首次发现：关于我们最近的邻居是否也充满生机的明确答案。

首次搜索

“海盗号”实验使用当时标准的搜索技术寻找生命。在最初的实验中，着陆器取了一勺火星土壤，并添加了碳化合物作为土壤中可能存在的任何微生物的食物。如果微生物确实存在于土壤中，我们可能会期望它们消耗食物并释放二氧化碳。

事实上，“海盗号”任务确实观察到了这种行为。仅就其本身而言，该测试似乎表明火星土壤中存在微生物。然而，当与其他实验的结果结合起来时，研究人员不能确定。

第二个实验寻找光合作用的证据，但返回了不确定的结果。第三个实验向土壤样本中加入了水。如果存在生命，潮湿的土壤可能会产生二氧化碳。但结果却产生了氧气。这非常奇怪，因为地球上没有已知的土壤会这样做。科学家们得出结论，氧气来自化学反应。

在最后的实验中，着陆器在土壤中搜索了有机化合物。有机物是构成生命基石的含碳化合物。如果火星上存在任何生命，我们应该会发现这些化合物。然而，仅凭有机物并不能提供确凿的生命证据，因为我们也期望陨石不断地将有机化合物沉积在火星上。令人困惑的是，实验根本没有发现任何有机物的证据。

总而言之，这些发现让调查人员感到困惑。大多数科学家认为化学反应是最后两个实验结果的原因，但化学无法完全解释第一个实验。一小部分但声音响亮的火星科学家认为，第一个实验实际上确实发现了生命的证据。但绝大多数其他人都得出结论，火星是贫瘠的。

2008年，在“海盗号”着陆32年后，当NASA的“凤凰号”着陆器在火星北极地区着陆时，这些谜题的答案开始浮出水面。令所有人惊讶的是，“凤凰号”探测到了高氯酸盐，这是一种在地球上罕见的分子，其特征是四个氧原子连接到一个氯离子，氯离子又连接到一个镁离子或钙离子。当高氯酸盐达到350摄氏度时，它们会分解，释放出活性氧和氯。高氯酸盐具有很高的反应活性，因此被用于许多火箭燃料中。

这一发现让调查人员意识到，高氯酸盐很可能已经抹去了土壤中生命的迹象。“海盗号”的有机物搜索实验首先将土壤样本加热到500摄氏度，以便汽化任何有机分子并以气态形式检测它们。但在2010年，由墨西哥国立自治大学的拉斐尔·纳瓦罗-冈萨雷斯领导的一个团队（包括我们中的一位（麦凯））表明，高氯酸盐会在加热过程中完全破坏土壤中的任何碳化合物。

高氯酸盐也解释了第一个和第三个实验的谜题。在第一个实验中，向土壤中添加食物产生了二氧化碳。但是，高氯酸盐在暴露于宇宙射线时会产生类似漂白剂的化合物。这些化合物可以分解有机分子（例如在添加的食物中发现的那些），在此过程中产生二氧化碳。在第三个实验中，氧气从湿润的土壤中释放出来。高氯酸盐漂白剂的产生也会形成氧气，但氧气最初仍被困在土壤中。它只在稍后土壤被润湿后释放出来，就像“海盗号”上发生的那样。两个谜团都解开了。

然而，发现生命的希望并未破灭。“好奇号”探测器于2012年在火星着陆，并从此一直在采集土壤样本。2014年初，由NASA戈达德太空飞行中心的保罗·马哈菲领导的火星样本分析（SAM）仪器团队（包括麦凯）报告说，实验在盖尔陨石坑底部的古代泥岩沉积物中发现了碳化合物，即使在高氯酸盐存在的情况下也是如此。后来，在2015年，SAM团队报告说在火星样本之一中发现了氯苯。复杂的有机物存在于火星上——“海盗号”只是无法找到它们。生命本身的情况会不会也是如此？

现代方法

自从“海盗号”着陆器建成以来的40年里，微生物学技术发生了巨大的变化。“海盗号”任务使用了基于培养的方法，其中微生物在培养皿中生长。但这些方法不再被认为是决定性的，我们现在知道只有一小部分土壤微生物可以被培养。科学家们已经开发出灵敏得多的技术，可以直接检测微生物生命形式中的生物分子。这些新方法为寻找火星生命证据提供了一种新颖的方式的基础。

最广为人知的方法是DNA检测和测序。不再需要培养生物体，使其充分复制以提供足够的DNA进行测序。几个团队正在研究将DNA提取技术融入适用于即将到来的火星任务的仪器中的方法。

依靠DNA检测来揭示火星生命的一个缺点是，虽然DNA在地球上的所有生命中都很常见，但它可能不会出现在外星生命中。或者，即使它存在，它也可能非常不同，以至于为寻找地球生物学而构建的DNA检测器会错过它。

幸运的是，火星可能蕴藏着其他生命迹象。这些生物标志物包括蛋白质和多糖。蛋白质是由生命使用的20种不同类型氨基酸的各种混合物组成的长线性链。氨基酸存在于陨石中，并且很可能是任何星球上生命起源前环境的常见成分。多糖是由酶（生物催化剂）构建的长链糖，酶本身就是蛋白质。

检测像蛋白质或多糖这样复杂的分子将是生命存在的有力证据，广义上定义为：一种编码信息并使用该信息构建复杂分子的生物系统。这些复杂的分子将在任何简单的生命起源前分子的背景下脱颖而出，就像摩天大楼会在巨石堆中脱颖而出一样。

我们中的一位（帕罗·加西亚）一直在开发一种用于检测火星上此类复杂分子的仪器。它基于一种技术——免疫测定测试——该技术已用于同时检测数百种不同类型的蛋白质、多糖和其他生物分子（包括DNA本身）。

免疫测定测试使用抗体——Y形蛋白质——每种抗体仅与一种类型的生物分子结合[见上图]。在免疫测定测试中，将可能含有感兴趣物质的溶液倒在一大片抗体上，每种抗体都设计用于与特定目标结合。如果样品溶液包含与阵列中抗体连接的生物分子，则抗体将捕获并通过结合来识别它。

免疫测定的一个优点是抗体可以检测比完整蛋白质更小、更简单的分子。因此，该测试可以搜索与生命相关但复杂性较低的分子，例如已分解成碎片的蛋白质片段。发现这些碎片也意味着生命存在。

地球上所有生物共同包含数百万种不同的蛋白质。有这么多可供选择，我们如何挑选出单个免疫测定测试可以搜索的数百种蛋白质？ 简短的回答是我们无法确定。但是我们可以根据两种策略做出有根据的猜测：首先，我们可以搜索对在火星上生存有用或必不可少的蛋白质。例如，我们可以搜索消耗高氯酸盐的酶、使微生物能够在火星的寒冷温度下生存的冷适应酶或修复火星强电离辐射对DNA造成的损害的酶。其次，我们可以将目标锁定在微生物世界中普遍存在的分子，例如肽聚糖，它是所有细菌细胞壁的通用成分，或者三磷酸腺苷（ATP），地球上所有生物体都使用它来运输化学能进行代谢活动。

即使火星的恶劣环境破坏了DNA和蛋白质等大型分子，我们仍然可能在碎片中找到生命证据。许多类型的分子在化学上是彼此等效的，但可能具有相反的“手性”——它们的键可能向左或向右扭曲。地球上的生命以左旋氨基酸为主。如果一个实验检测到氨基酸，并发现一组特定的氨基酸具有显着的左旋或右旋手性，这将是生命存在的有力证据。有趣的是，如果这种手性是右旋的——与地球蛋白质相反——那将证明火星上的生命形式是独立于地球生命进化而来的。

任务规划

“海盗号”携带了三个生物学实验；我们可以想象一个火星任务也携带三个生物标志物搜索仪器——可能是一个DNA检测器、一个免疫测定微芯片和一个检测和表征氨基酸的仪器。这项技术已接近成熟。下一个任务是选择一个目标——最有可能蕴藏生物标志物的位置。

冰和盐是生物标志物的朋友，可以保护它们免受损坏和腐烂。敌人呢？电离辐射和热量。幸运的是，火星上的低温使热衰变可以忽略不计，即使在行星的整个年龄段也是如此。然而，电离辐射可能会在数十亿年内完全摧毁地表一米左右范围内的生物标志物。因此，有希望的目标是可能蕴藏着近期生命的冰冷地点——例如靠近火星北极的“凤凰号”着陆点——或者侵蚀最近暴露了古代物质的地点。在任何一种情况下，人们都会希望向下钻探，从地表以下一米或更深的地方提取样本。

目前正在计划的火星任务可以进行这项搜索。计划于2020年进行的欧洲“火星太空生物学”任务应该能够携带钻头。NASA正在开展一项任务，该任务将于2020年发射另一个“好奇号”探测器的复制品。“火星太空生物学”任务和新的“好奇号”可以搜索火星干燥的赤道地区，以寻找盐和沉积物中的生物标志物。（这两辆探测器都无法在极地地区工作。）

至于极地搜索，NASA正在研究一种名为“破冰者”的廉价着陆器，它可以完成这项工作。它配备了一米长的钻头和免疫测定仪器，可以搜索火星北部富含水的永久冻土带，以寻找冰冻地面中的生物标志物。

这些任务中的任何一项都将是领导下一代火星探索的有力候选者。过去几十年的研究毫无疑问地表明，火星曾经蕴藏着液态水。现在是时候检验一下，这个曾经充满水的星球是否为任何生命形式提供了家园。如果我们在火星上发现生物分子——尤其是当这些分子表明火星生命独立于地球生命产生时——我们将对我们家园以外的生命获得深刻的见解。正如我们知道有许多恒星和许多行星一样，我们将知道有许多生物学。我们将知道宇宙充满了多样性。