天体生物学和火星探索

天体生物学和火星探索

原作：Mary Voytek,Linda Billings,Aaron L. Gronstal and Leslie Mullen

天体生物学(astrobiology)，是对宇宙中生命的起源、演化、分布和未来的研究。美国宇航局（NASA）成立后将之确定为一项核心研究内容。1960年，NASA建立了“地外生命计划”（Exobiology Program），在那个太空探索事业快速发展的年代中，NASA向地球轨道乃至更远的太空发射了大量的探测器，为天体生物学的诞生创造了条件。NASA已经探索了太阳系中的很多地方，本文将重点关注对地外生命和天体生物学最重要的一个目的地——火星。

在太空时代开启之初，火星完全是一个谜.如今半个世纪过去，太空探索已经揭示了火星在曾经有过一段更像地球的时光。但是，还有很多问题没有得到解答。远古的火星是什么样的？火星表面曾经有过液态水吗？很久以前，火星可能曾经有过生命吗？

火星任务的历史，由艰苦的努力和辉煌的胜利交织而成。造访火星是非常危险和困难的。该行星的极端环境包括极寒的温度、极具破坏力的尘暴、低重力和稀薄的大气。很多火星任务都以失败告终。不过，那些侥幸成功的任务已经给我们提供了关于火星潜在宜居性的惊人证据。而NASA即将发射的迄今最野心勃勃的探测器——火星科学实验室（注：即今天成功登陆火星的“好奇号”），则无疑将开启天体生物学研究的新纪元。

一、研究肇始

1960年代，NASA新启动的地外生命计划吸引了很多优秀科学家的目光。在那十年中，NASA 着力推进着其月球计划，并建造了分析月球样本和陨石等宇宙中的物质的仪器；而地外生命学家已将目光投向了更远的地方，离我们最近的两颗行星——金星和火星。

NASA水手计划（Mariner program）的第一次成功任务，来自1962年的水手2号，它令我们首次得以对金星近距离观察。美国宇航局局长詹姆斯•韦伯这样评价水手二号的成功：“它给人类对金星的认识带来的提高比有记载以来的几千年历史中的总和还要多。”

1965年7月14日，水手四号成为第一艘近距离探索火星的航天器。它辨认出了水可能曾经在火星表面流淌的地质证据。1967年水手五号再次前往金星。科学家们曾经相信金星可能支持生命，但水手二号和五号对金星极端恶劣条件的观测，进一步坐实了一个结论：火星是更好的寻找生命之地。

我们对火星的认识通过1969年的水手六号和七号得以加强，这两个航天器对火星表面20%的面积进行了测绘，提供了该行星很多独特特征的高清晰图像。1971年的水手九号是第一艘进入其他行星轨道运行的航天器，它测绘了火星表面的80%。这一任务真正揭开了火星的面纱，显示出这一行星地质史的惊人细节，包括火山、峡谷、陨石坑及河床。水手九号最先发回了水手谷（Vallis Marineris）等地标的图像，这一大峡谷正是为纪念该航天器而命名的。

[水手六号和七号是双生子，它们都长这个样]

该计划的最后一个任务，1973年的水手十号，没有访问火星，但展现了接下来的很多太空任务可能用到的新技术。水手十号是首个造访多颗行星的航天器，还第一次利用了“行星引力辅助”技术，即利用一颗行星（金星）的引力来加速到足够的速度，以访问第二颗行星（水星）。

苏联也将视野投向了火星，火星二号（1971年）、火星三号（1971年）和火星五号（1973年）（Mars 2/3/5）任务都将航天器驶入了火星轨道。尽管每次都遭遇很多困难，这些航天器还是给出了关于火星表面和大气环境的一些数据。（编者注：详情可参考维基的“火星计划”词目。）

[苏联为纪念火星一二三号发行的邮票]

二、海盗双子

早在1959年，NASA就开始研发探测生命的仪器。火星很快成为应用这一技术的首选之地。早期对火星的关注导致了地外生命和天体生物学史上最伟大的里程碑之一：1976年两艘海盗号（Viking program）航天器在这颗红色星球表面着陆。

[著名科普作家卡尔·萨根与海盗号着陆器模型]

NASA的海盗号孪生任务于1975年发射，是截至当时NASA最具野心的行星探索努力。海盗一号和二号任务都同时把一个着陆器和一个轨道飞行器发往了火星。每个着陆器肩负着14个实验，包括一组专为搜寻火星生命迹象的调研。

1961年，NASA官方邀请英国科学家詹姆斯•拉夫洛克（James Lovelock），一个生命探测技术专家，来美国空间计划工作。他在生命探测实验方面有很多想法，参与了1965年一颗火星探测器的早期设计。他曾说，“我的童年是由儒勒•凡尔纳（Jules Verne）、奥拉夫•斯塔普雷

顿（Olaf Stapledon）等科幻作家的作品装点的，因此我非常高兴能有机会亲自参与讨论研究火星的计划。”

拉夫洛克对搜寻生命有一套有意思的想法，他并不青睐传统的辨认细胞中的DNA等物理结构的思路，更倾向于利用基于细胞的生物反应来搜寻生命的方法，。他说，“我们必须注意，要摆脱“地球中心”思想，（要搜寻生命迹象）我们必须寻找熵减现象。” 他把行星地球看做一个整体的生态系统，并且开始与卡尔•萨根（Carl Sagan）、戴安•希区柯克（Dian Hitchcock）和诺蒙•霍洛维兹（Normon Horowitz）等人讨论这一观点。

拉夫洛克在NASA的工作定义了海盗号上的生命探测实验的设计思路。这些实验是把收集来的火星土壤样本浇上水，以监测任何微生物生长的迹象。火星大气的主要成分是二氧化碳，只有痕量的水蒸气。这个发现给拉夫洛克和他的同事，乔治•何比（George Hobby）和杰瑞•哈巴德（Jerry Hubbard）以启示，来设计一个能够在这样一个干燥的行星上搜寻生命的仪器。这就是“热解释放实验仪”。

而霍洛维兹对火星的新理解驱使他和他的同事在地球上那些类似火星的不适宜生存的环境中测试海盗号的设备并搜寻生命，这些地方包括南极洲的干谷（Dry Valleys）和智利的阿塔卡玛沙漠（Atacama Desert）。吉尔•列文和沃尔夫•威史尼亚克等科学家也开始用来自南极干谷的土壤测试。当威史尼亚克在霍洛维兹及其同事认定是无菌的土壤中探测到了微生物时，火星上潜在生命的问题就更加复杂了。

因此，即使是海盗号尚未发射，该任务就已经激励了地球上生物的研究。科学家们努力发展出“生命”的基本定义，以使自己知道，该在火星上寻找什么。

霍洛维兹曾就此表示，“事实是我们并没从火星上学到什么——比起金星来说——除了它是一个可能找到生命的地方以外。”“当然，在火星上的平均条件下，没有什么我们已知的地球生物能够存活——除非是在休眠状态——但是如果我们承认一种可能性：火星可能曾经拥有更加适宜生命存在的条件，只不过后来逐渐变得像现在这样恶劣的，并且如果我们接受生命可能在这样一个早期阶段产生，那么我们就不能排除火星生命成功地使自身适应了环境变迁并存活至今。我们对于找到这样的结果并没有多乐观的预期，然而一旦得到正面的答案，那将是非常重要的，将会极大地推动地外生命搜寻事业的前进。”

1969年12月，NASA挑选出海盗号将装备的实验，其中包括霍洛维兹的热解释放实验，列文的同位素标记释放试验，沃尔夫•威史尼亚克用来探测微生物的“沃尔夫陷阱”（Wolf Trap）和大山的气体交换实验。威史尼亚克，约书亚•里德伯格（Joshua Lederberg），麻省理工的亚历山大•里奇和哈罗德•克莱恩被指派负责将这些生命探测实验装置集成到着陆器的体内，不幸的是，由于设计困难和有限的容积，后来沃尔夫陷阱被移除了。

作为该生物实验包的补充，海盗号着陆器还会携带微缩气相色谱仪和质谱仪（GC/MSs），该仪器是由由麻省理工的克劳斯•别曼（Klaus Biemann）以及地外生命科学家莱斯利•欧格尔（Leslie Orgel）和约翰•奥罗（John Oró）设计的。这些设备将会分离有机成分并且通过分子量对其进行辨认。气相色谱仪和质谱仪被认为是海盗号上最重要的设备，因为即使那些生物实验给出负面的结果，气相色谱仪和质谱仪也能找到有机分子，那将会证明这些样本中可能有细胞。人们还期待着火星上的有机分子成为其自身形成的化学和物理环境的灵敏的指标物，并希望其结构的细节将会说明在众多可能的生物和非生物作用中，到底哪些真的发生了。1976年7月20日，阿波罗11号登陆月球之后的七年，海盗一号着陆器在火星上的克利斯平原（Chryse Planitia）着陆。在9月3日，海盗二号在乌托匹亚平原（the plain of Utopia）附近着陆。

为了防止对火星的污染，海盗号着陆器是在一个特别的超净间组装的，在干热中烘烤以便杀死其上的一切微生物，并且直到登陆火星都一直保持与外界隔绝。着陆器上的照相机揭示了一个与地球迥异的地表——但它比起月球却是更加似曾相识。海盗号地表摄影组组长托马斯