火星表面新证据指示可能存在微生物
火星表面新证据指示可能存在微生物
火星探测器在火星表面发现的芳香族化合物可能指示存在微生物的科学发现。研究表明，火星表面的芳香族化合物无法靠简单的水岩反应合成，生物成因是最可能的途径。
近年来，好奇号和毅力号在火星表面探测到了芳香族化合物，前人认为这些化合物形成于非生物的水岩反应中。然而，水岩反应实验目前也只能合成甲烷、甲酸和氨等小分子，地球上已发现的芳香族化合物均为生物相关成因。因此，我们提出火星上的芳香族化合物可能是微生物新陈代谢的产物，结合前期蛇纹石化反应形成甲烷、氨气等实验，我们提出了一种火星微生物新陈代谢的模型。
探寻地外生命是研究生命起源的重要课题，其中关键一环就是探查太阳系中与地球最相似的火星。火星与地球同属类地行星，且火星表面曾经存在过广泛的水活动，具备潜在的生命存活条件。近年来，好奇号和毅力号火星车在火星表面分别发现了多种有机物存在的证据，为探寻火星表面生命提供了宝贵线索。
图1 毅力号火星车在Jezero陨石坑西侧沉积扇的探查路线
火星表面的有机物
自上世纪70年代以来，苏联、美国和中国已经向火星发射了超过20个火星探测器，以调查火星表面环境并探索可能的生命信号。早期探测器由于仪器技术落后和火星表面高氯酸盐的干扰并未检测到有机物。直至好奇号火星车（2012年着陆火星）改进了气相色谱质谱仪，在Gale陨石坑中发现了包括氯烷烃和芳香族化合物（即含苯环的有机物）在内的各种有机物。这是首次在火星表面原位探测到有机物。
无独有偶，Sharma等人利用毅力号火星车的原位拉曼和荧光光谱测量技术，在Jezero陨石坑中检测到了多种芳香族化合物（图1，图2a）。毅力号在Máaz地层和Séítah地层中均探测到了芳香族化合物，据估算其含量分别为约百万分之20和百万分之2。先前对于火星表面的研究表明，有机质主要与含水矿物（如蛇纹石、碳酸盐等）伴生，由此前人推断这些含水矿物通常在水岩反应中形成。因此，火星表面的有机质通常被前人解释为非生物水岩反应形成，例如蛇纹石化。然而，已有的水岩反应能否合成这些复杂的含苯环有机物尚未可知。
火星表面的水岩反应
时至今日，火星表面已经非常干燥。除两极部分地区明确存在固态水冰、可能存在液态水外，绝大部分地区已经缺乏水活动。但是，早期火星（约30亿年前）表面是明确存在水活动的。这些水活动深刻改造了火星表面地理环境，不仅形成诸多河谷和冲积扇，还残留下大量水岩反应的产物，即各种含水矿物如蛇纹石、硫酸盐和各种黏土矿物等（图2b）。
有关水岩反应合成有机物的研究是过去数十年的热点。然而，目前水岩反应实验只能合成一些简单小分子如甲烷、甲酸和氨。另一方面，地球上的芳香族化合物在自然界的主要来源是各种芳香植物。工业合成芳香族化合物则需要严格的条件，这些条件难以在火星表面形成。因此，火星表面的芳香族化合物无法靠简单的水岩反应合成，生物成因是最可能的途径。
图2 火星表面探测到的有机物（a）和水活动痕迹（b）
火星表面的微生物
一种可能的模型是，火星表面的水岩反应为微生物提供能量和基础物质。现在火星表面平均温度为-63℃，火星车目前也没有发现任何液态水。然而，火星地层的温度随着深度的增加而增加，液态水可能存在于火星两极的永久冻土层以下。这些水与（超）镁铁质岩石发生蛇纹石化，产生氢气。这些氢气进一步与二氧化碳、氮气反应形成甲烷、氨，这为化能异养型微生物的存活提供了基础营养物质。火星永久冻土层下方也有此类温暖潮湿的区域，可以支持类似嗜甲烷菌的微生物存活的生态系统，形成复杂的芳香族有机物（图3）。这一模型为深入探究火星表面是否存在生命这一重大科学问题提供了全新视角。
由于毅力号火星车探查的样品未能返回地球，无法进行详细的分析，因此尚不能断言火星表面一定存在微生物生命。对于火星生命的探查任重道远，还需要包括祝融号在内的更多的火星车来搜集更多的证据，并对回收样品进行更细致的分析。
图3 火星表面的微生物系统模型图
本文原文来自The Innovation期刊