來(lái)自火星的生命痕跡 火星隕石25%細(xì)菌形成
2009年11月30日,美國(guó)宇航局(NASA)發(fā)布消息稱,利用高分辨率電子顯微鏡對(duì)火星隕石“艾倫—希爾斯84001”做出的最新分析顯示,這塊隕石晶體結(jié)構(gòu)中的大約25%確實(shí)是由細(xì)菌形成的。這一最新結(jié)論提供了迄今為止火星曾存在生命的最有力證據(jù)。“來(lái)自火星的生命痕跡”又一次引起了全世界的關(guān)注。
為什么關(guān)注火星
科學(xué)家們一直認(rèn)為,生命的起源跟演化是宇宙中的普遍現(xiàn)象,浩瀚宇宙中不應(yīng)該僅有孤單的地球生命存在。帶著開(kāi)展不同生命和文明的比較學(xué)習(xí)、研究生命起源等渴望,科學(xué)家們一直在孜孜不倦地尋找著地外生命,而火星就是那個(gè)最有可能發(fā)現(xiàn)它們的地方。
1976年,美國(guó)宇航局的“海盜1”號(hào)和“海盜2”號(hào)探測(cè)器成功著陸火星,但卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何有機(jī)化合物和生命的跡象,這給期望找到“火星人”的科學(xué)家們潑了一瓢冷水,人類探索火星的熱情頓時(shí)減弱不少。而其后近20年時(shí)間里,美國(guó)沒(méi)有再發(fā)射新的火星探測(cè)器。直到1996年,NASA宣布在來(lái)自于火星的隕石“艾倫—希爾斯84001”中發(fā)現(xiàn)含有火星細(xì)菌化石的證據(jù),火星生命才又一次引起人們的興趣。時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)的克林頓甚至在一次演講中說(shuō):“它(隕石)說(shuō)明可能有火星生命的存在。如果這個(gè)發(fā)現(xiàn)最終被證明是真實(shí)的,這將會(huì)是人類對(duì)宇宙最輝煌的發(fā)現(xiàn)!
盡管存在爭(zhēng)議,這個(gè)唯一的地外生命痕跡仍激起了人們的無(wú)限遐想,科學(xué)家的目光也都匯集到了這個(gè)遙遠(yuǎn)的星球上。不過(guò)就人類目前的認(rèn)識(shí)水平而言,有機(jī)物和水構(gòu)成的一個(gè)或多個(gè)細(xì)胞組成的一類具有穩(wěn)定的物質(zhì)和能量代謝現(xiàn)象、能回應(yīng)刺激、能進(jìn)行自我復(fù)制(繁殖)的半開(kāi)放物質(zhì)系統(tǒng)才能稱之為生命。換句話說(shuō),鑒別火星生命只能通過(guò)類比地球生命的方式提出,因?yàn)檫@是我們知道的唯一的生命形式。而在人類目前探測(cè)能力范圍內(nèi),也的確只有火星的條件與地球最為接近。
火星是距離地球最近的行星,在橢圓軌道上繞日公轉(zhuǎn);鹦枪D(zhuǎn)一周相當(dāng)于地球的兩年,自轉(zhuǎn)一周和地球一晝夜差不多;鹦呛偷厍蛞粯邮枪杷猁}星球,內(nèi)部也有核、幔、殼的結(jié)構(gòu);鹦莾蓸O被二氧化碳組成的白色冰帽覆蓋;鹦巧线有大氣圈,水圈和一年四季的氣候變化。盡管火星氣壓僅為地球的1%,大氣也比地球的稀薄,且其中95.3%是二氧化碳,但其中還是有氮?dú)夂蛿?shù)量極少的氧和水汽的存在。
科學(xué)家們認(rèn)為,早期的火星有著可供生命開(kāi)始的條件和材料。即使到了今天,火星上有的地方仍是“可生存”的。根據(jù)登陸火星的探測(cè)器搜集到的資料,科學(xué)家們認(rèn)為,火星在過(guò)去是富水的、溫暖的和潮濕的,并有厚厚的大氣圈,具有可能維持生命的環(huán)境;鹦谴髿庵羞發(fā)現(xiàn)了氮?dú)猓@對(duì)生物的形成也有重要意義。關(guān)于火星峽谷的照片也表明曾有大量的水侵蝕火星表面。近年來(lái)科學(xué)家們甚至在火星上發(fā)現(xiàn)了固態(tài)的水。水是生命之源,它不僅是生命化學(xué)反應(yīng)必備的一個(gè)要素,更是傳送營(yíng)養(yǎng)、排泄廢料必要通道。有固態(tài)的水,就有可能找到液態(tài)水,進(jìn)而就有希望找到適合于生命存在的環(huán)境。
如何確認(rèn)隕石來(lái)自火星
引起全世界極大興趣的火星隕石“艾倫—希爾斯84001”是美國(guó)宇航局、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和史密森學(xué)會(huì)聯(lián)合組成的南極隕石搜尋計(jì)劃(ANSMET)小組于1984年12月27日在南極洲艾倫丘陵中發(fā)現(xiàn)的。讓很多人迷惑不解的是,為什么科學(xué)家們能確認(rèn)這塊隕石來(lái)自火星?它是如何從火星上飛到地球的?科學(xué)家們對(duì)此有什么樣的證據(jù)?要解釋這些問(wèn)題,得從隕石的形成開(kāi)始。
太陽(yáng)系中有無(wú)數(shù)的大小不等的流星體繞太陽(yáng)以橢圓軌道運(yùn)行,而其他天體的攝動(dòng)或各天體間的碰撞會(huì)改變流星體的運(yùn)行軌道。當(dāng)流星體與地球相遇時(shí),有可能穿越地球大氣層隕落到地面,其殘存物質(zhì)便是隕石。隕石大多數(shù)與地球巖石一樣,基本由礦物組成。不過(guò)隕石含有的礦物質(zhì)中有一些非常獨(dú)特,在地球巖石中從未發(fā)現(xiàn)。除月球樣品和宇宙塵外,隕石是目前可供直接研究的主要地球外物質(zhì),可提供大量的宇宙信息。
地球上大部分的隕石都是由小行星帶飛越而來(lái)的,科學(xué)家們可以通過(guò)追蹤化學(xué)元素等多種方法來(lái)追根溯源。由于目前人類已經(jīng)對(duì)月球和火星有了一定的了解,取回了月巖的樣品,也發(fā)射探測(cè)器登陸過(guò)火星等等,所以通過(guò)對(duì)比分析等方法可以確認(rèn)其中極少數(shù)隕石來(lái)自于月球或者火星。
對(duì)于火星隕石的確認(rèn)始于1983年,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)有一類隕石的化學(xué)同位素和巖石學(xué)的特性符合當(dāng)時(shí)可以參考的火星資料,據(jù)此推斷這類隕石來(lái)自于火星。后來(lái),科學(xué)家們又分析了這類隕石中惰性氣體的同位素濃度,確認(rèn)它們與登陸火星的海盜號(hào)探測(cè)器觀測(cè)到的火星大氣中惰性氣體的濃度一致。到了2000年,科學(xué)家們?cè)俅螌?duì)比分析所有已知參數(shù),又一次證實(shí)了這一結(jié)論。
至于隕石是如何從火星進(jìn)入太空的,科學(xué)家們認(rèn)為,這可能是小行星等天體撞擊火星的結(jié)果。已觀察到的巨大隕石坑在一定程度上可以說(shuō)明撞擊產(chǎn)生的威力。不過(guò),進(jìn)入太空的火星巖石,要穿越數(shù)億公里來(lái)到地球并不容易。因此,截至2009年10月,在地球上發(fā)現(xiàn)的成千上萬(wàn)顆隕石中,科學(xué)家們一共才發(fā)現(xiàn)了53塊來(lái)自火星,總重92公斤,僅相當(dāng)于阿波羅計(jì)劃中宇航員帶回的整個(gè)樣本量的10%。
火星隕石被分成無(wú)球粒隕石(石質(zhì)隕石)的三個(gè)稀有的群:輝玻無(wú)球隕石、輝橄無(wú)球隕石和純橄無(wú)球隕石。它們的同位素比率有著一致性,并且和地球上的不同;鹦请E石整體被稱為SNC群,這個(gè)名稱衍生自該種隕石最初被發(fā)現(xiàn)的地點(diǎn):印度的Shergotty、埃及的Nakhla和法國(guó)的Chassigny。
隕石中有什么樣的生命痕跡
“艾倫—希爾斯84001”是輝玻無(wú)球隕石,屬于直輝石巖,由98%粗粒狀的斜方輝石和隕玻長(zhǎng)石、橄欖石、鉻鐵礦、二硫化鐵、碳酸鹽和頁(yè)硅酸鹽組成。通過(guò)同位素法和對(duì)宇宙射線影響的研究,科學(xué)家們認(rèn)為“艾倫—希爾斯84001”隕石的歷史可以追溯到火星形成時(shí)的45億年前,而且它從火星表面脫落后,在宇宙空間漂泊長(zhǎng)達(dá)1300萬(wàn)年到1600萬(wàn)年,降落在地球上的時(shí)間距今也已經(jīng)有1.3萬(wàn)年。
通過(guò)對(duì)這顆隕石長(zhǎng)達(dá)10多年的研究,科學(xué)家們?cè)陔E石內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了一些與生命有密切關(guān)系的痕跡:碳酸鹽小球、多環(huán)芳香烴(PAHs)和微磁鐵礦晶體的存在,并由此推論火星至少在13億年到36億年前很可能有生命形態(tài)存在。
首先,科學(xué)家們排除了隕石內(nèi)的痕跡被地球生物污染的可能性。PAHs有機(jī)物分子存在于“艾倫—希爾斯84001”隕石內(nèi)部,其密度大大高于南極冰層中多環(huán)芳烴的密度,其他的南極隕石沒(méi)有多環(huán)芳烴,即便人造的污染也只會(huì)出現(xiàn)在表面,而且與這些多環(huán)芳烴有關(guān)的碳酸脂形成于36億年前,說(shuō)明有機(jī)分子不是隕石在星際旅行過(guò)程中附著到隕石上的,也不會(huì)來(lái)自于地球,應(yīng)該來(lái)自于火星?茖W(xué)家們分析稱,這種比較簡(jiǎn)單的PAHs有機(jī)物分子可能是火星遠(yuǎn)古時(shí)代的微生物腐朽后的產(chǎn)物,它們?yōu)橐环N液體(很可能是水)所攜帶,并在碳酸鹽小球形成時(shí)被截獲。
其次,科學(xué)家們分析了火星上可能存在過(guò)水的證據(jù)?茖W(xué)家們?cè)凇鞍瑐悺査?4001”隕石的新鮮破裂面上發(fā)現(xiàn)的扁圓形碳酸鹽,像壓扁的球,直徑20毫米到50毫米。由于碳酸鹽是遇水結(jié)晶的一種無(wú)機(jī)物,因此,科學(xué)家認(rèn)為,火星水可能從這些火星巖石縫隙中滲透過(guò)。這顆紅色星球在過(guò)去也許曾經(jīng)有著適合生命生存的條件。
最后,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了微磁鐵礦晶體,并認(rèn)為這是由火星細(xì)菌產(chǎn)生的;鹦请E石的碳酸鹽小球內(nèi)部富含菱鎂礦、菱鐵礦及少量碳酸鈣、碳酸錳與磷灰石。外面是富鐵和富鎂互層分布的邊緣。富鐵環(huán)帶邊緣主要成分為單邊長(zhǎng)度10納米到100納米的磁鐵礦與二硫化鐵晶體。用高分辨率的透射電鏡(TEM)與掃描電鏡(SEM)結(jié)合能量分散光譜學(xué)方法對(duì)樣品進(jìn)行分析表明,這些礦石晶體的尺寸、純度、形態(tài)與晶體結(jié)構(gòu)都和由地球上的細(xì)菌產(chǎn)生的晶體的特征一樣。
地球上有一種主要分布于土壤、湖泊和海洋等水底污泥的趨磁細(xì)菌,它的體內(nèi)會(huì)生成一些微小的磁鐵礦晶體,每個(gè)只有50納米到100納米,而且純度高于一般由無(wú)機(jī)作用形成的天然磁鐵礦。趨磁細(xì)菌會(huì)把10個(gè)到20個(gè)微磁鐵礦晶體排成鏈狀,像指南針一樣利用地球磁場(chǎng)來(lái)感測(cè)方向,然后借鞭毛游向?qū)υ摼钣欣奈⒀醐h(huán)境處。因此,這種微磁鐵礦晶體就如同生命的簽名一樣。而科學(xué)家在“艾倫—希爾斯84001”隕石內(nèi)發(fā)現(xiàn)的微磁鐵礦晶體尺寸也是40納米到60納米,還有一些磁鐵礦晶體呈鏈狀排列。因此,科學(xué)家們認(rèn)為這是有關(guān)火星生命痕跡最令人信服的證據(jù)。
科學(xué)界關(guān)于隕石研究的爭(zhēng)論
自從1996年宣布這塊火星隕石可能有生命痕跡后,科學(xué)界關(guān)于該項(xiàng)研究的爭(zhēng)論就沒(méi)有停止過(guò)。各種支持與反對(duì)的觀點(diǎn)激烈碰撞,爭(zhēng)論的焦點(diǎn)主要集中在碳酸鹽球體的形成溫度和微磁鐵晶體的成因上。反對(duì)的科學(xué)家認(rèn)為“艾倫—希爾斯84001”隕石的各種特性可以是非生物成因的。他們進(jìn)行了很多實(shí)驗(yàn),想論證碳酸鹽小球等一系列構(gòu)造是在高溫狀態(tài)下產(chǎn)生,從而推翻所有對(duì)火星生命的推測(cè),因?yàn)楸日盏厍蛏铮邷叵禄鹦巧镆彩菬o(wú)法存活的。支持的科學(xué)家則用氧和硫的同位素分析,以及碳酸鹽年齡測(cè)定等方法來(lái)說(shuō)明碳酸鹽低溫下形成的可能,以及火星生命存在的可能性。
而近期美國(guó)宇航局科學(xué)家的最新研究結(jié)果就是想說(shuō)明,熱分解假說(shuō)不能解釋“艾倫—希爾斯84001”隕石中大部分磁鐵礦晶體的成因,加熱隕石成分的方法不能生成微磁鐵晶體。科學(xué)家們解釋說(shuō),純菱鐵礦加熱后可以轉(zhuǎn)化為純磁鐵礦,而“艾倫—希爾斯84001”隕石成分中含有碳酸鹽嵌入式純磁鐵礦,卻沒(méi)有純菱鐵礦的存在,而且從來(lái)沒(méi)有。科學(xué)家們認(rèn)為“艾倫—希爾斯84001”中磁鐵礦成分不是來(lái)自于碳酸鹽,而來(lái)自于另外一個(gè)過(guò)程。對(duì)比地球上的現(xiàn)象,與在“艾倫—希爾斯84001”隕石中磁鐵礦成分相同的磁鐵礦晶體大多數(shù)由超磁細(xì)菌制造,因此通過(guò)生物模式得到是可行的。科學(xué)家們應(yīng)用最新的高分辨率電子顯微鏡得到的新分析顯示,“艾倫—希爾斯84001”隕石的磁鐵礦晶體結(jié)構(gòu)中約有25%是由細(xì)菌形成的。
盡管關(guān)于“隕石上是否存在火星生命痕跡”的爭(zhēng)論仍在繼續(xù),關(guān)于“艾倫—希爾斯84001”隕石的研究目前也不能讓我們探知更多關(guān)于火星生命的秘密,但越來(lái)越多的證據(jù)表明這個(gè)來(lái)自火星的樣本具有重大的科研價(jià)值?茖W(xué)家們的分析認(rèn)為,“艾倫—希爾斯84001”隕石中碳酸鹽球形成時(shí)火星上的溫度可能為0攝氏度到80攝氏度,而不是生物無(wú)法存在的700攝氏度。假如生命存在于遠(yuǎn)古時(shí)期的火星,那么生命很可能今天仍存在于火星;鹦黔h(huán)境的改變不一定會(huì)撲滅所有地下微生物的生命。在這方面,地球上微生物抵御惡劣環(huán)境的實(shí)例可以給火星生命依然存在的推測(cè)帶來(lái)一絲希望。
繼續(xù)探索火星的使命
火星上存在生命的可能性總是那么扣人心弦,但目前還沒(méi)有任何單個(gè)證據(jù)可以令人信服地證實(shí)地外生命的存在,僅憑落在地球上的一塊石頭來(lái)說(shuō)明火星上曾有生命存在也似乎有些單薄。因此,近年來(lái)人們陸續(xù)發(fā)射多個(gè)探測(cè)器登陸火星來(lái)尋找新的證據(jù),不過(guò)它們的觀測(cè)和科學(xué)家們的研究至今沒(méi)有給人們一個(gè)圓滿的答案,反而帶來(lái)了更多的疑問(wèn),引起人們對(duì)火星更大的興趣。
首先是火星上有水。2008年7月31日,美國(guó)宇航局的“鳳凰”號(hào)火星探測(cè)器在火星上加熱土壤樣本時(shí)鑒別出有水蒸氣產(chǎn)生,從而確認(rèn)火星上有水存在?茖W(xué)家們分析認(rèn)為火星極地的二氧化碳冰層下可能有水冰。最近還有報(bào)道稱火星上的水可能以泥漿的形式存在。
其次是在火星上發(fā)現(xiàn)了甲烷。2009年1月15日,美國(guó)宇航局的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)火星表面有一層甲烷氣體形成的薄霧。而2004年歐洲航天局的“火星快車號(hào)”探測(cè)器也曾發(fā)現(xiàn)過(guò)火星上的甲烷跡象?茖W(xué)家認(rèn)為,甲烷氣體可能是由生活在火星表面數(shù)千米之下的微生物所產(chǎn)生,那里的溫度或許可以保證液態(tài)水的存在。有的人甚至相信,這些“火星生命”如今一定還活著,否則火星的大氣中將不可能有持續(xù)不斷的甲烷。
為了一探究竟,世界各國(guó)陸續(xù)規(guī)劃了探測(cè)火星的項(xiàng)目。美國(guó)宇航局推出的“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”計(jì)劃,預(yù)計(jì)2012年夏季登陸火星,其主要使命是尋找火星上過(guò)去和現(xiàn)在是否存在微生物等生命跡象。而多次推遲的歐洲的火星生命探測(cè)計(jì)劃“ExoMars”,其登陸火星的探測(cè)器上將載有一個(gè)“漫游”機(jī)器人,攜帶一系列研究宇宙生物學(xué)的儀器,目的也是探測(cè)火星上可能存在的生命。俄羅斯則在2009年7月,成功完成了代號(hào)為“火星-500”的長(zhǎng)達(dá)105天的載人航天地面模擬第二階段實(shí)驗(yàn),向著人類登陸火星又邁進(jìn)一步。
追尋著水、碳、生存環(huán)境和生命信號(hào)的痕跡,人類一步步走近火星。展望未來(lái),火星地表之下將成為新的探測(cè)熱點(diǎn),但繼續(xù)探索火星的使命仍然將緊緊圍繞“火星的生命”。
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