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当看到火星生命的时候,大家能认出他们来吗?


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如果NASA“毅力号”在火星上发现了生命,将是大家次发现外星生命。


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编者按:美国国家航空航天局(NASA)于7月30日发射了“毅力号”( Perseverance)火星探测器,前往火星上35亿年前曾是河流三角洲的区域,探寻古微生物的遗迹。神译局相关文章:《探索火星生命之路任重道远,这 3 个奥妙值得关注》。本文编辑丹尼尔·奥伯豪斯(Daniel Oberhaus),原文标题“Will We Recognize Life on Mars When We See It?”。 


珀西瓦尔·洛厄尔(Percival Lowell)并不是个以为自己能在火星上发现生命的人,但他是最后一批。在19世纪末和20世纪初,洛厄尔出版了一系列著作,宣传了自己的理论,即“红色星球”表面的可观察到的特征是濒临灭绝的智慧物种的创造。洛厄尔所着迷的对象正是更广泛的天文学界的不齿,就是所谓的“火星运河”,他认为这是用来从行星冰盖引水的。


自60年代中期以来,NASA就一直在用机器人进行火星探测,由于这些任务,大家现在可以非常肯定,火星上没有任何“外星工程师”。(对不起,洛厄尔。)但是这些飞船确实找到了大量的地质证据,表明火星表面可能曾经有液态水、磁场和厚厚的大气层,在生命的先决条件方面,这些排在首位。换句话说,仍有基本生命形式曾经存在于火星的表面。


7月30日,NASA发射“毅力号”,这是一趟单程旅行。这个汽车大小的机器人地质学家在火星上的年将钻探核心样本,寻找古代生命的迹象。(十年内的另一个任务是把样本送回地球。)“毅力号”将在其着陆点耶泽洛陨石坑附近收集至少20管沙土,科学家认为这曾是距今40亿年前的三角洲。如果火星曾经有过生命,那么古老的耶泽洛三角洲是有希翼找到的地方。


但不要期待“毅力号”能够找到任何骨头或贝壳,它要寻的是化石微生物,而不是软体动物。甚至找到完整的细菌也将是一个惊人的。麻省理工学院的实验地球生物学家、“毅力号”样本选择十人引导团队的成员坦贾·波萨克(Tanja Bosak)说:“那将是一个完全的美梦。” 相反,“毅力号”寻找潜在的生物特征,即数十亿年前微生物留下的微弱分子痕迹。如果“毅力号”在火星上发现了生命,那将不像在树林里遇到一个陌生人,而更像是发现他们的足迹。


如果“毅力号”在火星上发现了生命,那将不像在树林里遇到一个陌生人,而更像是发现他们的足迹。


当波萨克不研究其他星球上的远古生命时,她研究地球上最早的生命,她说这个过程类似于“毅力号”将在火星上进行的工作。为了追踪地球上的古代微生物,地球生物学家们寻找只能由生物过程形成的岩层中的模式。例如,叠层石是注入了几层波萨克称为“有机垃圾”的岩石。这些薄薄的化石藻类和其他原始生物形成的沉积物具有肉眼可见的独特波浪状。


“微生物啊,你永远不会真正只看到一个细胞。 它始终是一个肉眼可见的群落,” 波萨克说道,“地球和火星上有机物和矿物质之间的基本相互作用应该是相同的,因此大家将使用摄像头来寻找这些不同种类的微生物形状。”


如果“毅力号”能在火星上找到叠层石,那将是一件大事,但仍不足以证明外星微生物的存在。“毅力号”还必须在同一地点找到通常与生命相关的大量分子。 “所有细胞都在代谢,” 波萨克说道, “它们从环境中吸取分子并吐出其他东西。” 这可能包括诸如磷和氮之类的基本元素,或者诸如胆固醇之类的更复杂的有机分子。在最理想的情况下,“毅力号”将发现对生物至关重要的脂质或其他生物分子的化石痕迹。 “毅力号”的挑战将是寻找散落在火星表面的这些化石分子。


此过程的步涉及叫“超级摄像头”的仪器,这是一系列固定在“毅力号”桅杆上的激光器,可以远距离研究岩石。 一个激光器通过将岩石加热到18000华氏度来蒸发岩石。这将生成“毅力号”可以拍照以了解该岩石元素组成的原生质。另一个激光器与火星土壤中的分子相互作用但不破坏它们的化学键,并且通过改变激光灯的方式,来揭示了岩石中有了哪些化合物。


如果“超级摄像头”检测到有机分子或诸如氮或磷等元素的高浓度状态,那么“毅力号”将过去进行进一步观察。“毅力号”臂末端的两个仪器,PIXL和Sherloc,使用更多的激光器来获取岩石的详细信息。PIXL使用X射线束来绘制岩石元素化学的荧光图,Sherloc使用像人发一样宽的紫外线来检测任何可能藏于灰尘颗粒中的有机物质。


“这是大家研究地球上最早的生命记录时所使用的技术类型,”NASA2020年火星飞行任务的副项目科学家、喷气推进实验室的天体生物地球化学实验室主任肯·威利福德(Ken Williford)说, “大家在地球上发现古代生物特征,不仅是通过测量岩石的整体化学性质。大家还绘制出了有机物在岩石中的位置,这使大家能够一起寻找类似生命迹象的纹理和成分。”


 一旦“毅力号”发现一块有希翼的红土块,波萨克和她的同事将要决策是否在该位置采集样本,稍后返回地球。这是一项高风险的决定——“毅力号”只能存放大约几十个样本,一旦做出决定,就不可逆了。“毅力号”在火星上的年要勘查很多地表,因此它没有时间重新访问以前的样本站点。而且,天体生物学家并不是需要火星岩石的科学家。 一些样本将用于解答其他的基本问题,例如火星表面的可居住条件持续了多长时间,以及这些条件是什么样的。


地球上最古老的、无争议的生命证据大约存在35亿年。 早于这一个时间点的微生物化石记录因为十几亿年前激烈的地质运动而变得变形扭曲、难以辨认。威利福德预计“勇气号”研究的岩石将比地球上最古老的生命证据早大约3亿年。而且,如果大家几乎无法认出自己星球上最古老的生命,那么在火星上可能更难认出它。威利福德说:“任何生命迹象,都可能是模棱两可,而不是清晰明了的”。 即使“毅力号”发现了一些可以作为地球上古代生命的有力证据的生物特征,威利福德说,在样品被送回还并使用更精密的仪器进行研究之前,科学界可能会保留判断。 “影响就是会太大了,”他说道。


如果你不知道要寻找的东西,你怎么找到它呢?


当然,在寻找火星生物特征时,“毅力号”也可能会空手而归。乔治敦大学的行星科学家莎拉·斯图尔特·约翰逊(Sarah Stewart Johnson)说,但这并不一定意味着地球上没有生命。 这可能只是意味着,其他星球上的生命看起来与大家自己的生命不同。但是,如果你不知道要寻找的东西,你怎么找到它呢?


2018年,NASA的天体生物学计划向约翰逊和一个国际研究团队提供了700万美金的资助,以找出答案。 如今,约翰逊领导着新的“不可知生物特征实验室”,她将其描述为,努力理解“大家所不知道的生命”。“毅力号”检测可能的生物特征的技术都假定了火星上的生命以与地球上的生命相似的方式进化,因此它寻找类似生物化学的证据。 约翰逊的实验室致力于寻找用以检测不遵循地球遗传规则的生命的方法,这有点像学习说一种从未听说过的语言。


约翰逊说:“不可知生物特征的主要思想是,它们包括了大家所知道的生命以及其他类型的生命。” 例如,她和她的同事认为,分子的复杂性可能是一种重要的生物特征,它不依赖于陆地生物化学。化学化合物有一定的复杂性阈值,超过这一阈值,如果没有生物过程的帮助,几乎不可能形成。约翰逊和她的同事的任务是,弄清楚如何以有意义的方式定义这种复杂性。约翰逊说:“你不能只看大分子,因为有很多分子,例如聚合物,确实很大,但它们只是重复相同的亚基。”


相反,约翰逊和她的同事们将复杂性视为一个过程。也就是说,产生给定的分子需要实行多少个不同的“步骤”?每个步骤都类似于添加一种新型的分子键。他们的研究表明,复杂性的阈值大约在14或15个步骤左右。超过这一阈值,几乎可以肯定任何分子都是通过生物过程形成的。


约翰逊的实验室正在研究其他潜在的不可知生物特征,例如某些类型的还原-氧化反应,这些反应在原子之间转移电子 这是微生物一级能量转移的主要来源,寻找不同类型的氧化还原反应可能会被用于识别与大家的生物化学没有共同点的外星生命。


约翰逊和她的同事们正在探索各种不可知的生物特征,但是她说,它们之间是有关系的,因为他们采用了一种概率的方法来检测生命。约翰逊说:“大家正在努力从“是生命”或“没有生命”的二元性转向确定性的光谱。 “如果大家以概率的方式思考生物或随机过程,我认为这可以使大家去得很大的进展。与确定的生物特征相反,大家是在研究‘生物提示’。”


大家正在努力从“是生命”或“没有生命”的二元性转向确定性的光谱。


不可知生物特征研究仍处于初期,但约翰逊很乐观,她和她的同事开发的技术可能能够在本十年后期帮助分析“毅力号”采回的样本。它们也可能在不久后的NASA外太阳系中的卫星泰坦和卫星欧罗巴的任务中发挥作用,许多行星科学家认为这两颗卫生是大家太阳系中最可能有外星生命的。


如果外星有生命,那么很有可能会与大家大不相同。木星的卫星欧罗巴被厚厚的冰层覆盖,是被认为掩盖整个星球的海洋,这意味着,那里的任何生物会在地表深处的热液喷口周围冒出。土星更大的卫星泰坦具有很厚的大气层,富含碳化合物,并且在其表面之下可能还会有大量液态水。科学家们尚不确定他们到达时会发现什么,但是如果约翰逊和她的团队成功了,他们将拥有一套全新的工具来帮助他们识别外星生命。


译者:沈晨烨

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