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火星上的生命,从海盗到好奇

围绕这颗红色星球的科学争论的简要历史。

1976年7月,午夜时分,在帕萨迪纳一间闷热的房间里,海盗火星小组成员蜷缩着坐在一台笨重单调的电脑旁……作者是泰德·安东

A1976年7月,午夜时分,在帕萨迪纳一间闷热的房间里,海盗火星小组成员蜷缩在一台笨重单调的电脑显示器旁,紧张地等待着世界上第一个成功的火星探测器着陆器的第一批数据,这是迄今为止唯一一个专门设计用来探测生命的火星着陆器。在接下来的几个星期里,每一个维京人的第一次生命探测实验都有一个惊人的特征。当这些数据逐渐传回太空作业设施时,很明显,当有机化合物被添加到火星土壤中时,二氧化碳会释放出来,尽管混合物过热时不会释放。这是一个生命信号,也正是地球上的实验发生了什么。当水被添加到土壤中时,氧气就会释放出来,就像在地球上一样。这颗探测生命的远程探测器在前两次实验中发现了它的特征。第三个实验加热土壤,就像在烤箱里加热食物一样,结果是混合的。

然而,随着第四个实验中相互矛盾的数据出现,争论愈演愈烈。宣称火星上有生命将是前所未有的。如果他们错了,没有一个团队成员会活下来。任何事情都比一脸狂笑出击要好。然而,在大多数观察家并不知情的情况下,在原始的维京登陆舱上进行的四项实验中,有三项可能被解释为微生物检测呈阳性,其结果与在地球上进行数千次检查时的结果相同。研究员帕特丽夏·斯特拉特告诉另一位任务人员吉尔·莱文,“这就是生活!

然而,第四个实验用的不是一个精密的质谱仪,而是一个测量有机分子大小的仪器。这是一个惊人的结果:有机物存在于整个太空中的小行星、彗星、流星以及星际尘埃中。不仅如此,实验还表明火星表面有毒或自我消毒。太空任务的科学家们进行了激烈的争论,最终美国宇航局决定采取谨慎的态度。他们总结说,由于地球土壤强大的氧化剂,它的表面必须自我消毒,这也有助于使其呈现红色。维京人发现了一颗贫瘠的红色星球,布满了坑坑洼洼,像月球一样冰冷而死亡。

一些任务科学家不同意,他们认为第四次实验只是失败了,就像在地球试验中经常发生的那样。包括莱文在内的一批活动人士撰文发言,敦促美国航天局公布完整的维京人数据。在美国宇航局2016年庆祝任务40周年时,他重复了他的呼吁。他预测“好奇号”火星探测器将发现复杂的有机物,它确实做到了。他告诉我,当他看到好奇号探测到甲烷爆发时,他发现甲烷的消失发生得太快了,不可能是紫外线辐射造成的:“这种消失可能是由甲烷菌引起的,它们利用甲烷,形成了一个完美的小生态循环。”

其他火星探测器给出了相互矛盾的结果。21世纪初,美国宇航局的“机遇号”和“精神”号火星车的报告令包括我在内的全世界数百万粉丝激动不已,它们是由地质学家和工程师而不是生物学家设计和建造的。水的证据来自2008年的凤凰号着陆器,它的相机拍摄到了它冰冷的钢腿上清晰的水滴。模拟结果表明,要么是水凝结在被风吹起的高氯酸钙颗粒周围,高氯酸钙是一种盐类矿物,其特性使其能够清除大气中的水分,要么是着陆激起了地表下的脏冰,水滴在腿上形成并融化。密歇根大学的任务科学家尼尔顿·伦诺说,关键是,“在地球上,任何有液态水的地方,都有微生物生命。”事实上,地球上的这种盐水中含有微生物。

突然间,每个人都对冰封的湖泊或平原,或是地球表面以下数英里的一个遥远的洞穴或矿井里的生物感兴趣。

自相矛盾的是,寻找火星上有希望的部分的最佳地点之一就是地球。沿着南极冰封的白色广袤地带行走,你会看到火星的一部分,以小石块的形式出现。事实上,每年大约有10磅的来自火星的岩石落在地球上。如果一颗大陨石撞击火星,它会将岩石碎片抛向超出小行星引力的太空。作为这颗行星最近的邻居,我们自己的,更大的行星会发现它的重力将一些落在地球表面的岩石困住了,这些岩石最容易在南极等贫瘠、冰雪覆盖的地区找到。它们的真实性是通过对它们的冲击玻璃的化学分析来确定的,冲击玻璃是岩石原始的熔融玻璃状物质。如果一块石头的防震玻璃含有与火星大气完全相同的混合气体,那么它来自火星。

1996年,在南极洲发现的著名火星陨石alh84001上的微小蠕动使NASA研究员davemckay和他的团队宣称他们发现了微生物化石。今天大多数人认为这不太可能。但是在很久以前,火星的海洋和河流中确实有大量的水流出,这种液体的矿化残留物在行星的漫滩、冲积盆地、甚至是干涸已久的大河中的弯道上都清晰可见。1887年天文学家路易吉·斯基亚帕雷利(Luigi Schiaparelli)对早期望远镜观测到的大裂谷的最初名称是康纳利,意大利语中的“channels”(虽然说英语的研究人员错误地将其翻译为“canals”)。世纪之交,在亚利桑那州,percivallowell认为他瞥见了活跃的火星河流,植被的季节性变化。事实上,许多探测器已经拍摄到火星峡谷晨雾的图像。抓住洛威尔的主张,埃德加·赖斯·巴勒斯泰山书,写了一个古怪的系列的20世纪20年代和30年代火星公主让一代又一代的美国年轻人去冒险的科幻小说。洛厄尔看到的是镜子上的瑕疵。当巴勒斯为了好莱坞女演员和妻子离婚时,他看到的是公众容易上当受骗的金矿。

后来美国宇航局的探测器产生了令人困惑的结果。20世纪60年代的“水手号”探测器强烈暗示,火星稀薄、寒冷的大气层不可能存在纯净的液态水,尽管最后的轨道飞行器清晰地描绘了古代河流和海洋的河床。

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你可能会想象,在一场全球性的流行病及其所有的社会和经济后果中,我们的头脑会被激光聚焦在眼前的、地球上的灾难上。但显然并不完全如此。一个很好的例子是最近。。。阅读更多

2010年,亚利桑那大学一名研究火星轨道器图像的本科生发现,间歇性的暗条纹在山脊顶部平行运行,然后消失,就像在季节性气流中一样。Lujendra Ojha在这些令人费解的现象中注意到的是高分辨率成像科学实验(HiRISE)。渗出的暗流出现在几十个地点。Ojha兴奋地将HiRISE观测结果与火星矿物图配对。分光计的观测结果显示,在几个位置有水合盐,但只有当黑暗特征出现并变宽时。然后用高氯酸盐探测器探测到的高氯酸盐的踪迹。火星水含有一种天然的含盐防冻剂。

想象一下一个凉爽的星球,间歇的水和干燥,太阳系中最大的火山。巨型湖泊所含水量与北冰洋相同,由湍急的河流补给,这些河流在三角洲沉积了大量的冲积沉积物。那是早期火星。现在想象一个硫磺味的,酸性的,海洋覆盖的星球,有一个有毒的大气和热的温室气体,既没有氧气也没有辐射遮蔽臭氧,它被彗星撞击,然后被一个火星大小的行星撞击,喷射出足够多的岩石,形成一个巨大的月球,将地球表面扭曲成摩天大楼般的高潮。欢迎来到早期地球。

出于这个原因和其他原因,美国宇航局的调查员史蒂芬·本纳和其他人认为生命起源于火星,并通过喷射物带到地球上。在休斯顿国家航空航天局的图书馆里,班纳仔细研究了老维京人的成绩单,在40年前的记录中发现了他们在炎热的夜晚所看到的数据的珍贵线索。他告诉我,他发现的是“大规模混乱”。本纳研究了古代微生物的DNA并复活了它们的基因和蛋白质,试图将地球上生命的起源与太阳系生命的存在联系起来。他在一系列论文中指出,火星以“温暖的温度和干湿循环”为特色,使RNA构建块能够“为我们的化学反应”而集中

问题是,过去许多关于火星生命或水的说法都是错误的。但许多古老的微生物曾在地球上类似的冰冷碱性环境中繁衍生息。为此,研究人员奔向硫磺洞穴、堪察加半岛含钼和硼酸盐的温泉、黄石国家公园和北极蚂蚁的盐湖。他们发现的东西很诱人。


NASA的chrismckay和Penelope Boston是两位研究人员,他们在地球上遥远的、极端的前哨地寻找微生物代谢和起源的迹象。波士顿曾是新墨西哥大学采矿与技术学院的教授,也是两位马戏团教练的女儿,她从研究北极的微生物开始,后来转向在深洞穴中寻找。加州的艾莉森·莫里在南极寻找极端微生物。突然间,好奇过后,每个人都对在冰封的湖泊或平原上,或在地球表面以下数英里的一个遥远的洞穴或矿井里生活的东西感兴趣。在她看来,火星上微生物生存的可能性正在增加,波士顿曾将其定为30%。波士顿推断,如果在恶劣的湖泊、洞穴或矿山环境中存在微小的生命形式,微生物生命可以在火星的亚表面上生存。

波士顿作为该研究所洞穴和喀斯特研究项目的负责人和新墨西哥州国家洞穴和喀斯特研究所的联合创始人,为火星做了一个案例,她帮助创造了火星的地下世界,并组织了一系列的讨论,在这些讨论中,她开始赢得了美国宇航局对火星生命的怀疑,认为这是一个重要的可能性。她如此成功,以至于2016年航天局任命她为加州莫菲特菲尔德天体生物学研究所的新主任,这给了她一个令人兴奋的机会,“在非常高的水平上帮助指导我热爱的科学”。

来自内华达州的沙漠研究所生物化学家艾莉森·默里(Alison Murray)与路易斯安那州立大学地球物理学家彼得·多兰(Peter Doran)一起研究南极咸水湖泊的微生物和古气候,共同发现了各种各样的古生菌和细菌。从南极维达湖钻取冰芯的默里说:“它们不怎么活动,大部分时间都在冬眠,但它们在那里,”在盐水下面的深处温度更高,但核心管把深水槽里的冰带上来。

这一发现将研究人员带回了美国西部,伯克利大学的生物学家吉尔·班菲尔德研究了科罗拉多河和位于铁山的加州废弃矿井的水。班菲尔德在一个有毒的矿井废料场发现了几个新的细菌门。关键在于,这些奇怪的、以前不为人所知的微生物依靠其他有机体的群落生存。这有助于解释为什么实验室里能生长出这么少的细菌。班菲尔德的团队在科罗拉多河附近的浅层含水层中工作,应用了一种新的技术来寻找生物体,并发现了几十种新的细菌门,实际上彻底改变了生命之树。班菲尔德小组将789种生物分成35个门,其中28个是新发现的,属于细菌范畴。他们根据这些生物的进化史和16srrna基因的相似性进行分类;那些至少有75%共同编码的生物进入了同一个门。研究小组在每个层次和每个季节都发现了截然不同的共生物种。

火星人提出的问题只是为了解决。

2016年秋天,班菲尔德研究小组在科罗拉多州的一个蓄水层中发现了新的细菌群,使地球已知的细菌群数量翻了一番,这是一个巨大的地下发现,再次修正了生命之树。班菲尔德还研究了婴儿肠道的微生物定植情况,把她带进了新生儿重症监护病房。她的作品,以及其他在黄石公园、智利阿塔卡马沙漠、科罗拉多州和加利福尼亚州废弃的矿井,甚至海豚嘴内部的作品,都促成了一部新生命树的出版自然微生物学;在过去的15年里,大约有一千种以前不知名的物种被添加进来。班菲尔德发现的第二个惊喜是,几乎一半的新细菌多样性来自一个被认为只生活在共生体中的群体。

然后诺拉·诺夫克点燃了火星寻找生命的火花。


T在维吉尼亚沿海炎热的夏天,旧多米尼克大学的诺拉·诺夫克正在研究“好奇号”探测器从盖尔火山口拍摄的照片。诺夫克是微生物诱导沉积构造(MISS)方面的权威人物,她为咸水浅滩中微生物垫留下的石头图案创造了一个术语。许多人熟悉叠层石,即古代微生物沉积的沉积丘,但很少有人了解微生物潮垫的意义。在30年的职业生涯中,诺夫克游历了五大洲,研究并分类了十几种典型的垫子形状,从卷起到波纹纹再到褶皱结构。这些丘状叠层石成为澳大利亚、夏威夷和加勒比海浅滩的旅游目的地。诺夫克在澳大利亚最偏远的内陆找到了她的小姐。事实上没有其他人见过它们,它们被列为地球上最古老的生命证据之一。

2014年夏天,美国宇航局邀请诺夫克在一次会议上发言,选择2020年火星车的着陆地点。诺夫克对研究小组说,如果早期的地球和火星相似,也许地球上保存着微生物诱导的沉积物。在观众席上,加州理工学院的地球化学家肯·法利坐在椅子上。他的研究小组刚刚发表了一篇论文,内容是好奇号在火星羊皮形成的古泥中发现的结构,这是一个沿海岸线行驶22公里到达夏普山的平原。会后,法利把照片寄给诺夫克,问她怎么想的。她研究了在索尔126号拍摄的照片,那是好奇号在火星上放羊的日子。她的心怦怦跳。这些图像看起来很熟悉。她知道到处都是微生物结构的危险倾向。“我要提交一份假设报告,看看人们怎么说,”她想。

这些奇怪的,以前不为人所知的微生物依靠其他有机体的群落生存。

2015年1月,她发表了一篇文章,暗示火星上有微生物存在,好奇号团队对此反应强烈。一位科学家说,诺夫克看到的是相当于“天空中的云”。该小组创建了一个网站来反驳诺夫克的说法。

2014年的甲烷爆炸可能是“好奇”号造成的污染。但甲烷也是古生菌等微生物产生的标志性气体。2015年,火星勘测轨道飞行器观测到黑尔陨石坑周围的山坡上有咸水,海水的温度低于冰点,并通过高氯酸盐保持液态。

仇恨越来越大。好奇号小组说她搞错了地质学。诺夫克回答说。“现在它是一个被侵蚀的山坡,但它以前是一个湖泊,处于完全不同的古环境中。他们说那是一条辫状河。那根本不是真的。这是一个蜿蜒的河流系统留下的山坡。这正是地球上微生物垫的地方,在这样的地方!

解决这个问题的唯一办法就是把人送上火星。最大的问题是携带足够的燃料从火星表面升空,以便它们能够返回地球。因此,第一步很可能是人类进入环绕火星的轨道,这是由比尔·奈主持的行星学会提出的。再进一步看,美国宇航局(NASA)计划最早在20世纪30年代将人类送上火星,而欧洲和俄罗斯计划于2020年登陆的“系外火星”任务则是为其所在地选择一个湖床。

盖尔火山口盆地古代微生物活动的进一步证据来自俄勒冈州大学,地质学家格雷格·雷特拉克指出,土壤中的硫酸盐含量很高,只有在缺氧的环境中,厌氧细菌才能产生硫酸盐。“好奇号”照片中的一些“泡状结构”,或者说气泡,类似于雨后地球上微生物产生的泡状结构地质学. 对于诺夫克来说,她对科学的高票经验和公众对外星生命的迷恋感到挫伤。她的论据完全出乎她的意料,也不完全是出于好奇。然而,好奇号小组确实为返回甲烷爆炸现场制定了一个新的行程,时间正好与第一次被发现的季节相同。或许它比其他任何东西都更能说明这项研究对一个包括Twitter和像我这样的Instagram粉丝在内的大众群体的重要性。

欧洲宇航局和欧洲宇航局的研究人员都迫不及待地准备了2016年火星探测器降落的原因。2016年10月19日,斯基亚帕雷利试验着陆器在其轨道母装置的监测下下降到子午线平原地区。降落伞向上展开12公里,隔热板按计划在7.8公里处释放。然后,它的惯性测量出现了一个错误,当它被数据饱和并生成一个低于地面的估计高度时,它运行了一秒钟。一秒钟的错误触发了第二个降落伞太快发射,它的刹车推进器也一样,导致虚拟着陆器严重坠毁并解体。这些碎片可以从美国宇航局的火星勘测轨道飞行器上看到。

这次考试令人十分失望,但这只是一次考试。欧洲航天局计划在2020年重返火星。


泰德·安东是德保大学的英语教授。他是长寿者并为芝加哥杂志社芝加哥论坛报,出版商周刊。

经允许转载微生物星球作者:Ted Anton,©2017芝加哥大学出版社。版权所有。

原主角形象:HelenField/Shutterstock

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