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2020-07-24 10:31
​火星上究竟是否有生命?

本文来自微信公众号:返朴(ID:fanpu2019),作者:小叶 ,原文标题:《火星上究竟是否有生命,“火星2020”会揭开半个世纪前实验的真相吗?》,题图来自:《火星救援》


2020年7月下旬到8月初是探测火星的“发射窗口”,阿联酋的希望号已经率先出马,中国天问一号和美国毅力号也将紧随其后。美国“火星2020”任务的科学目标之一就是确定火星上是否有生命。在数十年前,美国国家航空航天局“维京任务”的生物标记实验得出了存在生命的结果。尽管官方报告称其没有提供明显证据,但至今仍有科学家没有放弃火星生命假说,更有甚至提出了惊人的假设——“火星蘑菇”。究竟谁是谁非,或许毅力号的探寻之旅将给我们答案。


2020年地球命运多舛,但灾祸没有阻挡住人类探索太空的脚步。7月20日,阿联酋的“希望号”(Hope)率先出发,中国的“天问一号”、美国的“毅力号”(Perseverance)很快将紧随其后,带着人类科学家的美好期望,奔赴5500万公里之外的红色星球。


考察火星上的生命踪迹是此次探索的一个重要科学研究任务之一。虽然火星上没有“火星人”,但是否存在低级或者原始生命形式,能否为解释生命起源提供思路,一直是科学家们孜孜以求的问题。在火星生命探索的历史上,要属美国国家航空航天局(NASA)经验最为丰富,此前他们并没有给出特别明确的说法。可是,却有科学家始终坚持说Yes。


一切始于半个世纪前的“维京任务”


从上世纪60年代起,NASA就把目光瞄准了这颗红红火火的“战神”星球。从1964年的水手四号(Mariner 4),1969年水手六号和七号先后飞掠火星,一直到1971年和1972年水手九号的轨道任务,NASA步步为营,始终坚持对火星的深入探索。事实上,在 “太空竞赛”后期,NASA的下一个目标之一就是让宇航员登陆火星。


时间到了1975年,NASA正式启动“维京任务”(Viking Mission,也被称为海盗任务)。正如中世纪时,野心勃勃的维京人扬起风帆,从斯堪的纳维亚半岛出发,凭借着惊人的勇气和毅力,足迹踏遍欧洲大陆以及北极辽阔的疆域,创造了“维京时代”。两艘维京号探测飞船承载着地球人的壮志,一探“战神”究竟,除了了解火星的气候地质属性外,另一目标就是寻找生命踪迹。


该年夏季,两艘太空飞船先后奔赴火星,经过一年的飞行,维京一号着陆器于1976年7月20日率先登陆火星克里斯平原(Chryse Planitia)西坡,而维京二号于9月3日登陆4000英里外的乌托邦平原(Utopia Planitia)


“维京”这一称号似乎赋予了此次任务无与伦比的顽强“维京精神”,原本计划90天的探索任务,轨道器和着陆器的使用寿命都远远超过了设计预期。尤其是维京一号轨道器,在火星轨道上“勤勤恳恳”工作了四年之久。随着气体燃料的逐渐耗尽,整个探索任务在1983年5月21日正式划上句号。


维京着陆器由五个基础部分组成:着陆器主体;生物防护罩和底座;机身;底盖和降落伞系统;以及着陆器亚系统。携带的仪器用于着陆器主要科学研究目的:生物研究、化学成分分析(有机与无机)、气象、地震学、地磁学以及地貌、火星表面和大气物理。  图片来源:NASA


寄予厚望的“维京任务”生物实验


在执行任务期间,着陆器上的科学仪器获得了比预期更多的数据。展开的生物实验包括气象质谱实验(GCMS)、气体交换实验(GEX)、标记释放实验(LR)和热解释放实验(PR)。另外,维京任务期间还拍摄了很多质量精良的照片,其中着陆器拍了4500张,轨道器拍摄了52000张。着陆器提供的照片让地球上的人们第一次近距离看清了火星荒凉的表面。


维京一号着陆器拍下的首张火星表面彩色照片  图片来源:NASA/JPL


在上述四大生物实验中,生物学家们对标签释放(Labeled Release,简称LR)实验项目寄予厚望。具体实验过程并不复杂,维京一号和二号着陆器收集火星土壤样本,然后将一滴稀释过的营养液注射入样本中,然后检测土壤上方的空气中是否会出现代谢副产物。在注射之前,营养物质已经加入放射性碳14标记。如果土壤中存在的微生物对营养物质产生了代谢作用,那么它们应该会释放出放射性副产物,比如带标记的二氧化碳或者甲烷。


在发射维京号太空飞船之前,研究人员在地球各地的极端环境下——从死亡峡谷到南极洲——不同陆地土壤中检测了实验方案。每一次实验都是阳性结果。同时,研究人员还一一做了对照组实验,将样本加热到160℃的高温,以杀死所有的生命形式,然后重复实验操作,结果每一次实验都是阴性结果。为了确认实验过程不会产生假阳性结果,研究人员还用到了已知的无菌土壤样本,比如来自月球的岩石样本和冰岛附近萨特西火山岛上的土壤样本,最终产生了预期的阴性结果。


研究人员满怀信心地期待着维京一号和二号在火星上的实验结果。然而,让他们没有想到的是,这场实验竟然成为了史上最具争议的火星实验,还让NASA在接下来的近50年内对此实验采取了闭口不谈的态度。


从最有希望的实验到最富争议的实验


LR实验的首席研究员是Gilbert Levin博士。Gibert Levin一生经历丰富,曾在第二次世界大战期间服役于美军海军,又在马里兰卫生部担任过公共卫生工程师,并且成立了自己的生物技术公司Biospherics Research Inc.(现Aikido Pharma Inc.),1963年他在约翰·霍普金斯大学工程学院获得环境工程博士学位。他的发明获得了不少专利,尤其是对探测微生物的创新性方法引起了NASA的注意,因此后者在70年代初与他签订了一系列合同,邀请他开发适用于太空任务的地外生命探测实验方案。


Gilbert Levin的同事Patricia Ann Straat,也来自约翰·霍普金斯大学。当年Straat在霍普金斯当助理教授,研究分子生物学和酶系统。Straat在电视上观看了1969年月球登陆,心里向往着能够参与NASA宏大的太空探索计划,而当时Levin设计的实验正好被NASA选中,成为“维京任务”的生物实验之一,两位志同道合的科学家一番交流之后,Straat被LR实验深深吸引,随即加入团队。


她至今都不能忘掉在加州的JPL实验室和整个团队一起观看维京号着陆的场景,“当时在场的一半人都觉得着陆器可能会坠毁,但突然之间一个响亮的声音传过来:‘我们安全着陆了’,大家都高兴坏了。”她回忆道。而接下来LR实验的最终结果让两人更加激动不已。


在1976年发表在《科学》杂志上的论文中,Gilbert Levin和Patricia Ann Straat详细汇报了火星生命探测实验的所有结果。论文中提到,在向火星样本中添加了含有放射性碳14的营养物质之后,两个相距4000英里的着陆地点土壤测试均检测到相似的放射性气体释放。为了排除火星强烈的紫外线辐射可能产生的假阳性结果,着陆器还专门选择了埋在岩石下方的土壤样本,同样得到的阳性结果。土壤中的“活性”响应在18℃时表现稳定,加热3小时温度提升至50℃时活性减弱,而160℃的无菌火星土壤样本则作为对照组显示出阴性结果。


但是,除了LR实验,同期的其他实验,比如气相质谱实验,并没有在着陆地点附近发现有机化学的痕迹——争议由此展开。NASA最终的官方报告表示:“在着陆点附近的土壤中并没有提供明确的证据表明存在活着的微生物。”而且,NASA自己实验室的科学家也无法复现Levin的LR实验结果。


另外,根据NASA的解释,火星具有自我杀菌功能。参加任务的生物学家认为,充满火星表面的太阳紫外线辐射,加上极端干燥的土壤,以及土壤化学的氧化属性,三者结合起来会阻止火星土壤中形成活的生物体。因此,断定火星生命存在尚有争议。


在NASA看来,LR实验发现的模拟生命活动可能是未知的化学反应。而Levin和Straat当时也认为LR结果可能也并不明确,因此在报告末尾表示:“目前没有化学实验能够定量地重复LR火星数据,尽管存在(非生物学)假设理论,最合理的可能性仍是我们在火星上观测到了生命活动。”


在接下来的几十年里,随着NASA展开更多的火星探测任务,利用更加先进的技术手段,科学家对这颗星球的认识也愈发清晰,发现了包括液态水、甲烷等。尤其是2014年,好奇号不仅在大气中检测到高浓度的甲烷变化,还首次确认了火星岩石粉末中包含有机碳等有机分子,可以说是NASA半个世纪来火星探测的最重要发现之一。与此同时,这一结果也让Levin更加坚持当年的LR实验结果。


实际上,从1997年开始,Levin旧事重提,在公共场合频繁发声支持当年LR实验的微生物活动结论。2016年,Levin和Straat在《天体生物学》(Astrobiology)杂志上再次联合发表了一篇观点性文章,根据近年来在火星上的新发现,以及无机物质模仿代谢活动的观点,重新探讨了上世纪70年代的LR实验,认为非生物性物质并不能充分解释LR实验结果,而最佳解释就是火星微生物。


维京一号的注射实验结果,表明第一次注射之后,土壤样本表现出强烈的放射性*红色(表明内部存在代谢活动,而对照组土壤样本则毫无反应(蓝色)  图片来源:Levin and Straat, 1977, Biosystems. ©Elsevier


Levin在接受媒体采访时表示:“自从我1997年第一次坚定地提出LR实验检测到生命之后,大部分评审期刊都拒绝了我们的文章投稿,我和Straat每年都会在国际光学工程学会大会(SPIE,包含天文学领域)上提交论文,但大部分都被天体生物学家忽视了。”他只能把这些文章放在自己的个人网站上。


Straat作为坚定的支持者,2019年曾接受过《科学美国人》的采访,她说自己最初并不完全同意Levin的观点,但是随着NASA在火星上发现的证据越来越多,她开始觉得当年他们确实发现了微生物生命。“火星上确实发现了一些复杂的有机分子,但是没有发现类似于生命所需要的简单有机分子,比如丙氨酸和甘氨酸”,她讲道。她很期待未来的火星探索实验,希望能够最终证实或者证伪他们当年的实验发现。


对此,NASA的JPL实验室行星科学家Luther Beegle则认为真相其实很简单:维京项目没有在火星上找到生命。“他们做了一堆实验,得到了很多他们无法理解的结果。”鉴于当时NASA对于火星土壤和大气的认识非常有限,他表示应该先从地质学和化学实验开始,而不是一下子就跳到生物代谢活动检测实验,LR实验结果其实很模棱两可。


奇人惊语:火星上长了“蘑菇”?


在火星探测历程中,一直以官方机构和科学家为主,不过NASA会公布他们拍摄的照片,这就给了一些其他科研人员研究的机会。


2015年1月27日,NASA在官网上公布了火星探测器机遇号火星车2004年执行任务期间,在老鹰撞击坑附近拍摄的一张彩色照片,照片上显示火星地表上冒出一颗颗圆形物体,泛着灰蓝色光彩。官方将其昵称为“火星蓝莓”,其实这是一种富含赤铁矿的矿物结石,证明了火星该地区曾有过古老的水环境。


NASA官网展示的“火星蓝莓”彩照  图片来源:https://mars.nasa.gov/resources/6944/martian-blueberries/


然而,有些科学家并不这么认同这一官方说法,至少Rhawn Gabriel Joseph博士就有其他猜测——他认为火星蓝莓其实是蘑菇。


Rhawn Gabriel Joseph这个名字在今年会引起科学界的注意,首先是因为上面的“火星蓝莓”照,其次就是牵扯到了知名出版商Springer旗下的《天体物理学和空间科学》(Astrophysics and Space Science)杂志。将两者联系起来的就是Joseph博士2020年的最新论文,该论文引用了机遇号在火星老鹰撞击坑(Eagle Crater)拍摄到的上百张照片,批评了NASA提出的赤铁矿说法。他认为老鹰撞击坑的环境不可能产生球状赤铁矿物质,并提出自己的假设:蘑菇、藻类、真菌等相关生物可能早已定居在红色星球上,而且有可能参与了火星的光合作用和氧气制造过程。


他和研究团队分析了185张机遇号在36个火星日内拍摄的照片,将其放大到300%,经肉眼识别后,他说:“这些蘑菇状的物种拥有茎秆和球根状帽盖,通过细细的茎杆依附在周围的岩石上。怎么就没人看到呢?”


根据他的文章讲述,火星车拍了上千张这样的火星蘑菇物种照片,并且都是固定朝着一个向上的角度,就好像在参与火星的光合作用一样,每一张照片中的朝向都有变化。至于这些火星蘑菇哪里来的,Joseph也给出了自己的观点:是太阳风将地球上的蘑菇物种送到了火星上,而且早在几十亿年前,我们的星球已经在火星和太阳系其他星球上播种下了生命的种子……


不管论文内容有多神奇,这篇投稿还是被《天体物理学和空间科学》杂志接收了,并进入同行评审阶段。Joseph曾向媒体透露,他的文章原定于今年4月10日在线发表,随后推迟到4月16日。但4月20日期刊对外表示,因为作者本人拒绝进一步的同行评议,最终撤回了自己的稿件。随后,Joseph在researchgate.net上传了论文,希望大家来阅读。这是篇近40页、引用180篇参考文献的论文,显然他并不是开玩笑


这位Joseph博士是何许人?在谷歌输入他的全名,出现在第一位的就是他拥有极其强烈个人风格的网站,除了出版物列表和评价,还有一段他的个人自传:从小多才多艺,钟情于音乐、艺术、绘画、书本、自然,嗯,还有姑娘……在讲述完奇奇怪怪的个人经历之后,话锋一转,便介绍起个人科研学术生涯,“我为科学而生”。但是却没有给出具体的教育和工作背景。


据他自己介绍,从上世纪70年代起开始从事神经科学研究工作,主要成就有神经可塑性和灵长类大脑功能恢复、性别差异的荷尔蒙基础、环境对灵长类大脑神经—突触联系的影响,等等。进入新世纪以后,他的科研方向也迈入了新纪元,一手掌握着小小的灵长类大脑,一手伸向了广袤的太空生物学。支持泛种论(Panspermia,简单说就是一种猜想,认为生命形态存在宇宙中无处不在,并借助小行星、流星到处散播繁衍。)的他研究起宇宙中的生命起源问题。所以,火星生命这一课题自然也纳入囊中。事实上在2019年,他投稿的《天体物理学和空间科学》曾发表过他对于金星生命的研究——上面也长了蘑菇。


2009年,他创立了的民间学术期刊《宇宙学杂志》(Journal of Cosmology),据介绍由专业人士组成编委,发表均经过了同行评议。他本人也在上面发表了很多文章,就火星蘑菇、真菌、细菌污染等提出了许多意见,批评NASA并没有对火星车进行灭菌消毒,同时也支持前文提到的维京LR实验。


对于以上种种,加之今年扎堆发射的火星探测项目,他受到了一些媒体的关注。对于Joseph的观点是否靠谱,Inverse杂志曾联系过NASA咨询。NASA公共关系专员明确表态,NASA并不会随便评论任何人的研究,而是依靠科学界和同行评议程序来评价科学意义。NASA官方回复“科学界的普遍共识是,以火星表面目前的条件,不适合液态水或复杂生命存在。”而Joseph这种“非主流”科学家认为,这就是阴谋论——有更高层的力量试图掩盖外星生命的存在。不过,即使是严肃的天体生物学研究,天马行空的理论只能等待技术发展,现在时机似乎到了。


凝视火星,再探生命踪迹


火星上是否有生命,此次火星探测项目可能会给出答案。除了中国天问和阿联酋希望号,美国的火星2020被寄予厚望。


此次“毅力号”火星车的登陆地点选择在具有35亿年历史的杰泽罗陨石坑(Jezero)。这里如今一片荒芜,干燥寒冷。但是,科学家认为,在几十亿年之前,火星拥有浓厚的大气层,星球上一度温暖无比,水流恣意流淌,汇聚在像杰泽罗这样的陨石坑,形成湖泊,如此有利的条件下,很有可能促使生命诞生。


杰泽罗陨石坑图像  图片来源:NASA/JPL


“毅力号”的科学任务之一就是收集火星岩石和土壤样本,寻找生命踪迹,解开火星种种谜团。根据计划,火星之旅从黑暗的陨石坑表面开始,随后沿着三角洲边缘颗粒细腻的粘土层行走,那里曾是一条古代河流汇入湖泊的入湖口。在地球上,这样的湖口往往能发现生物踪迹,而毅力号会在火星河流寻找揭露过去微生物存在的有机化合物。


此后,火星车将继续前行,穿过一片坚硬的沙石地带,那里的泥土颗粒可能已经形成几十亿年了,曾有过来自火星最古老地区并向下流动的河流。在这之后的下一个阶段就是富含碳酸盐的古老湖泊沿岸,这些石灰岩状的碳酸盐层层叠叠,在地球上称为叠层石。地球上的叠层石由细菌生长形成,可谓是浓缩了生命发展历史的地质“胶囊”。


火星车的外观设计大部分借鉴了自己的前辈——“好奇号”,但是内部却装载着全新的样本获取系统,这套复杂的机械系统能够在火星地表钻洞、搬运、成像并储藏样本,样本如岩石和土壤组成的粉笔。火星车要制作至少30根这样的岩芯,在未来的项目中实现打包寄送回地球,展开进一步分析。“毅力号”装备了一套能够识别火星岩石和土壤化学成分的工具,这套工具能够成像岩石中的有机分子分布,从而帮助科学家分辨出是来自陨石撞击的有机残骸,还是微生物生命遗骸。


虽然我们要在地球耐心等待好一阵来自火星的“快递”,但留给蘑菇的时间可能不多了。自古以来,地球上的人们对于天空的追问从未停止,2020年,探索火星的“窗口”已经打开,这次我们满怀勇气、好奇和希望,向着火红的星球开启毅力之旅。


参考资料:

1. https://mars.nasa.gov/mars-exploration/missions/viking-1-2/

2. https://en.wikipedia.org/wiki/Viking_lander_biological_experiments

3. https://blogs.scientificamerican.com/observations/im-convinced-we-found-evidence-of-life-on-mars-in-the-1970s/

4. https://science.sciencemag.org/content/194/4271/1322

5. https://phys.org/news/2016-10-year-old-viking-life-mars.html

6. https://www.liebertpub.com/doi/full/10.1089/ast.2015.1464

7. https://www.gillevin.com/

8. https://www.scientificamerican.com/article/looking-for-life-on-mars-viking-experiment-team-member-reflects-on-divisive-findings/

9.https://www.researchgate.net/publication/340610633_Life_on_Mars_Colonies_of_Photosynthesizing_Mushrooms_in_Eagle_Crater_The_Hematite_Hypothesis_Refuted

10. http://brainmind.com/publications.html

11. http://journalofcosmology.com/

12. https://www.inverse.com/science/mushrooms-on-mars-a-wild-story

13. https://www.sciencemag.org/news/2020/07/how-nasa-s-new-rover-will-search-signs-ancient-life-mars?utm_campaign=news_daily_2020-07-05&et_rid=315162504&et_cid=3389469

14. https://www.cnet.com/features/the-space-tiger-king-and-the-mushrooms-on-mars/#ftag=CAD590a51e

15. https://phys.org/news/2014-12-curiosity-rover-ancient-chemistry-mars.html


本文来自公众号:返朴(ID:fanpu2019),作者:小叶 

本内容为作者独立观点,不代表虎嗅立场。未经允许不得转载,授权事宜请联系 hezuo@huxiu.com
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