火星上真有生命嗎？人類對火星水的認知史，看完顛覆認知

人類對於太空有着無限的好奇心 閃爍的星辰上是否也有生命? 人類能否在新的星球生活? 隨着好奇,我們開啓了探索新生存空間的時代 人類登陸火星的計劃正在推進 關於火星的根本謎題 尤其是那個終極之問 火星曾孕育過生命嗎? 如今火星上是否仍有生命殘存? 這些問題的核心 在於火星液態水的存在狀態 這團生命之源究竟在火星上如何分佈? 如今已確鑿無疑 火星曾有過流動的水 但水量有多大? 水的成因是什麼? 這些問題仍然存在爭議 更具爭議性的是 如今火星上是否仍可能存在潛藏的液態水? 大約在上個世紀之交 通過分析提出 火星上存在運河 且運河必定是由智慧生命建造的 那個時代與現在截然不同 討論焦點不在於是否存在運河或智慧生命 而是這些生命可能是什麼形態? 人類又該如何與這些火星生物溝通? 人們一直認爲 那些所謂的運河屬於視覺錯覺 火星地表某些紋路相連 形成了類似直線的假象 當探測器最終抵達火星 我們並未發現 任何與洛厄爾運河圖相吻合的地貌特徵 從二十世紀四十年代開始 天文學家通過觀測 逐漸揭示了火星環境的真實面貌 一九六五年 首艘探測器掠過火星時 我們測定其大氣壓僅約六毫八 平均氣溫低至零下五十攝氏度 這表明液態水無法在火星上穩定存在 如果把一桶水放在火星表面 水過一會兒就會凍結或蒸發 這些發現徹底終結了火星 是一顆溫暖溼潤的星球的幻想 但這並未消滅火星可能存在生命的希望 火星探測任務並未發現外星人建造的運河 但卻發現了許多看起來像是液態水侵蝕形成的地貌 最近有新聞報道了 好奇號探測器在二零二二年拍攝的圖像 該圖像顯示 古代吳賓湖泊留下了波紋狀痕跡 最新的報道還提到 探測發現了古代海洋的沿海沉積物痕跡 距今四十三億至三十五億年前 存在液態水的證據已極具說服力 我們在撞擊坑內發現了數百個古代湖泊的遺蹟 最確鑿的證據來自耶澤羅允石坑 在坑中 水流進入湖泊時沉積了一片三角洲 形成了由水攜帶的沉積物扇形堆積 我們還發現了山頂冰川 類似河流之流的河谷網絡 同時還有證據表明水從地橋內部噴湧而出 形成了災難性洪水的沖刷通道 這些洪水釋放了大量的水 此外 火星上的某些礦物也需要水的參與才能形成 大約三十億到四十億年前的火星是什麼樣子 當時的溫度一定足夠高 可以讓液態水存在 但我們並不清楚具體溫度有多暖 變暖原因亦成謎 不過除此之外 我們對那時的火星環境還是很瞭解的 要讓星球升溫 溫室氣體必不可少 而二氧化碳就是強小溫室氣體 因此我們推測 遠古火星大氣中必定含有更高濃度的二氧化碳 然而 四十億年前 太陽的亮度比現在低百分之三十 在計算機模擬中 即使在大氣中加入更多的二氧化碳 也無法將溫度提升到足夠高 因此模擬中需要引入另一種溫室氣體 目前我們處於先選定氣體 再計算所需濃度 最後驗證可行性的階段 此外 火星自轉軸傾斜角度會隨時間變化 這對氣候產生了什麼影響 我們尚不清楚 火星曆史總水量有多少 根據我2024年的論文計算 若將火星曆史上所有水匯聚起來 可在地表形成380至1970米厚的均勻水層 相比之下 地球上的水總量可以形成一層1400米厚的水層 不過 該類比並不完全公平 火星的計算包括了所有時期的水 而這些水並非同時存在於地表 而在地球上 大部分水至今仍處於海洋中 遠古火星雖比現在溼潤得多 但即便在最溼潤時期 火星的地表仍可能非常乾燥 在這些佈滿靜流的河谷網絡中 每平方公里的河道密度 其實與地球上最乾旱地區相當 那麼今天的火星上還剩多少水 如今 火星上的水主要以冰的形式存在 在火星的兩極 軌道探測器觀測到幾公里厚的冰層 通過光譜儀可以確認這是水結成的冰 雷達也能觀察到其結構 如果把這些冰均勻地鋪滿整個火星 可形成20至30米厚的冰層 此外 中緯度地區也發現少量冰 火星大氣中還有微量水蒸氣 其含量比地球上的水蒸氣低數個數量級 但這些水蒸氣可以形成雲層 影響溫度和氣候 火星上有一個完整的水循環系統 可以降雪 但溫度過低 無法形成降雨 最大的未解之謎是 火星地殼深處是否存在水 我們認爲水應該存在 因爲這些水可能從早期溼潤環境中滲入地殼 我們可以估算其潛在儲量 可能佔火星總水量的半數 但尚未確認 火星上的水都去哪了? 從那些大型洪流通道中流出的水 最終匯聚到北半球地底 本可形成巨型湖泊 但其結局尚不清楚 是蒸發殆盡 還是凍結後被塵土掩埋 我們不得而知 數十億年前 就存在於火星表面的大量的水 已經被礦物吸收 通過計算得出 至少相當於110米厚的全球水層 已流失到太空 爲什麼火星上有大量的水流失到太空中? 我們曾認爲 主要原因是火星失去了磁場 導致大氣層流失 從而使水被剝離到了太空中 但是現在我們知道 該機制遠比想象中更復雜 目前 我們仍在試圖弄清水流失的細節 當今火星上還有液態水存在嗎? 這正是關鍵問題 在中低維度地區 我們認爲 土壤中可能存在微量的液態水 這些水可能由礦物固定 在20世紀90年代 鳳凰號探測器着陸火星時 曾在着陸過程中揚起的塵土中 探測了水滴 但這些水的含量 遠遠低於地球生命所需的水平 火星地下可能存在滷水 但低溫環境下 需要高濃度的鹽分 以及特定的鹽味成分組合 才能讓液態水在表面保持穩定 由於我們尚未檢測到 這些滷水的存在 因此無法確定其具體性質 關於火星南極冰蓋下 是否存在液態水層的爭議 已持續數年 歐洲雷達儀器數據顯示 冰蓋下一公里處 可能存在液態水層 但該結論頗具爭議 目前暫不採信 我們還觀測到 被稱爲季節性斜坡紋線的底毛 其特徵像是沿着斜坡 向下延伸的黑色條紋 這些深色條紋 會隨季節生長延伸 軌道探測器 拍攝過其生長前後的變化影像 有一種假設認爲 這可能是由快速上升的 地下水補給造成的 或者是夏季少量冰融化後 潤化了坡面 但其水源成因尚未可知 也可能是幹雪崩造成的 畢竟火星和其他行星上 存在許多地球沒有的地質現象 如果想尋找液態水 該去哪裏找? 怎麼找? 如果想在火星表面附近 尋找大量的液態水 我會關注最近的火山活動區域 在那裏 我們可能會發現 類似地球上的熱液噴口 已有證據顯示 火星地質近期 數百萬年內 仍有火山活動 雖然我們還沒有直接觀測到 活躍的火山活動 但這並不意味着它不存在 在火星地殼2至3公里深處 地熱加熱會使溫度升至冰點以上 液態水可能存在於 微米到毫米大小的孔隙之中 雖然單個孔隙的水量不多 但總體加起來 可能會形成可觀的水儲量 要探測這些深層液態水 可採用在地球上探測液態水時 所採用的電磁探測法 即電磁探測技術 例如 讓火星車鋪設千米級的電纜 進行環形探測 或許能發現深層液態水 雖有構想 但還沒有機會提出 類似的火星任務 地球生命存在的證據 可追溯至41年前 那麼火星上曾經存在 生命的可能性有多高? 這是一個核心的問題 古代火星具備 生命所需的環境條件 液態水 碳 氫 氧 氮等生命元素 這些元素至今仍然存在 以及化學反應提供的能量 火星曾經具備以上所有條件 我的判斷 非有即無 非無即有 所以概率各佔一半 我不做猜測 火星滿足生命存在的條件 但是否真的有生命存在 只有通過實地探測 才能找到答案 70年代 海盜號曾兩次嘗試尋找火星生命 如今看來 當時的實驗設計存在缺陷 那時的實驗的基本思路是 取一份火星土壤 加入液態水和有機營養物質 觀察是否發生 與生命相關的化學反應 我們在火星和其他行星上 觀測到許多地球上沒有的現象 當時的觀測結果中 存在一些積極的跡象 但情況很複雜 最終的主流意見是 海盜號並未檢測到生命 不過 今天我們知道 在地球上 99.99%的微生物 無法在實驗室中培養 因爲脫離原生環境後 缺失了某些知識 微生物生存的關鍵條件 由此可見 想隨機採集火星上的有機物樣本 並培養出生命 幾乎沒有可能 90年代 科學家在南極州 發現了一塊來自火星的隕石 於漢遜航天中心的研究團隊提出 這塊隕石中 可能存在生命的證據 但該結論缺乏說服力 儘管如此 該研究教會了我們 如何尋找生命的痕跡 什麼樣的證據 能證明火星上存在生命 要證明生命存在 需要多種測量結果相互印證 例如 針對古代生命 如果發現化石形態 有機分子和同位素證據 都指向生命存在 則極具說服力 對於現今的生命 若能識別出 與地球生物截然不同的有機體 就能排除地球污染的可能性 證明它是火星本土的生命 人類已帶回月球樣本 但尚未將火星樣本帶回地球 未來計劃如何 毅力號探測器 目前正在收集樣本 並計劃送回地球 取樣地點 選在已知曾經存在液態水的區域 這是一項複雜的任務 毅力號將樣本 存放在約一釐米寬 相沿長度的管子中 並將其放置在地表的明確標記點 未來將有一艘航天器 負責收集這些樣本 裝入排球大小的容器 由火星上升器送入軌道 再由另一航天器帶回地球 但這一切 要等到2030年之後才能實現 中國也計劃開展 抓取是採樣的任務 探測器會着陸火星 採集一些土壤或岩石樣本 裝入火箭送回地球 自1965年起 各國已成功執行 二十餘次火星任務 包括飛掠 軌道環繞和着陸探測 您是NASA火星大氣 與揮發性演化任務的首席研究員 該探測器自2014年起 環繞火星運行 它的主要成就是什麼 Maven是唯一專注於 研究火星高層大氣 及氣體逃逸到太空的探測器 它取得了很大的成功 但我們仍然沒有完全瞭解 火星的歷史 想象一下 僅靠少數幾次任務 就試圖理解一個星球的歷史 就像試圖用少量研究 來了解數百年地球歷史一樣 其難度可想而知 在即將開展的火星任務中 哪些最令人期待 據我所知 接下來只有兩次任務 美國國家航空航天局的逃逸任務 這是一次小型軌道環繞探測任務 可能會在今年晚些時候發射 它將研究火星高層大氣 與火星大氣與揮發物演化的研究 相互補充 第二次任務 是羅沙林德·富蘭克林任務 這原本是 歐洲航天局與俄羅斯的一項合作任務 原計劃於2020年發射 但後來推遲到2022年底 然而 2022年俄烏衝突後 歐洲航天局退出了這一合作 他們把航天器上的所有俄羅斯硬件 都拆了下來 因此 發射日期不得不推遲到最早2028年 這是一項着陸器和漫遊車任務 它將要完成一件前所未有的大事 即首次鑽探火星表面以下兩米深處 在這個深度 有機分子可以免受銀河宇宙射線 和太陽粒子的破壞 我認爲 從科學角度來看 這是勢在必行的 人類可以比機器人探測器 完成更多任務 而且效率更高 另一個原因是 國家威望 第三個原因是 激發人們對 投身科學、技術、工程和數學領域 職業的興趣 這項任務是可行的 但非常困難 而且成本高昂 代價不菲 要想完成這項任務 可行的最低成本預算是1000億美元 埃隆馬斯克曾表示 可以在四年內實現載人火星任務 但我認爲 這忽略了許多問題 比如生命維持系統 如何讓人類在爲期三年的往返任務中生存下來 以及如何製造足夠的燃料返回地球 我預測 距離載人火星任務的達成 還需要10到15年的時間 人類經過數萬年的繁衍生息 今天的地球已經不堪重負 日漸膨脹的人口 日益匱乏的資源 都是人類不得不開始探索其他棲息地 尋找地球以外 適合人類居住的星球 是可能的解決途徑之一 正如記者所採訪的一位美國太空前沿基金會人士所說 在太空 我們還可以探索宇宙中 其他星球是不是有生命的存在 以及看有沒有適合人類居住的星球 以便將地球上的人們移居到別的星球 作爲距離地球最近的外星星 火星理所當然成爲人類優先探索的目標 火星和月球不一樣 月球是衛星 火星是行星 如果說月球是地球的女兒 火星應該是地球的兄弟 科學家們認爲 到目前爲止 在所有被探索和研究的星球中 火星是最可能適合人類移居的地方 因爲火星和地球有很多共同之處 同地球一樣 火星上有大氣 也有季節的變化 也有科學家認爲 火星的表面有水存在的跡象 這是導致生命起源的重要因素 雖然火星上沒有氧氣 但科學家設想要用尖端科技改造火星環境 以適合人類居住 一些持樂觀態度的專家認爲 預化火星可能只要幾百年時間 此後人類可攜帶特殊呼吸裝置前往居住 探索火星還將有助於加深 對地球以及地球上生態環境的認識 通過研究火星大氣的演化和水的消失過程 分析火星大氣稀薄的原因 可正確認識和把握地球環境的變化趨勢 對人類保護地球環境 從而在宇宙中永久生存 具有現實而有深遠的意義 此次前往火星的勇氣號和機遇號帶去的任務就是 探測火星上是否有水存在 人類移民火星需要解決一些基本需求 如氧氣 還需要有水 火星上大氣比較稀薄 磁場弱 會有較強的太陽紫外輻射和宇宙射線輻射 如何避免強輻射也是一個需要解決的問題 火星是運行軌跡離地球最近的星星 因爲表面鮮紅如螢火 讓人捉摸不透 在中國古代被叫做螢火 在西方 這顆神祕的星球也因爲其表面的紅色 被冠以戰神馬爾斯之名 直到19世紀末 望遠鏡首次觀測到了火星表面 人們才發現 這顆星球看似熱鬧的紅色表面 只是氧化鐵構成的塵埃 而在這層鮮紅之下 是荒蕪一片 低溫 低氣壓 高輻射 高二氧化碳的環境下 沒有發現生命存在的跡象 隨着火星探測的逐步深入 我們發現 這顆星球是太陽系中 與地球最相似的行星 有着晝夜和四季 有類似地球的固態岩石表面 有較厚的大氣層 曾經有水 也可能曾有過生命 有着如同地球沉寂寒冷的早期形態 未來也可能孕育出生命 現如今 神祕的螢火 已不再讓人困惑 併成爲人類移民的首選目標 美國國家航天局 希望在2030年 將第一批人類送上火星 在開啓火星移民之旅前 我們需要更好地瞭解 火星的可居住性 歐洲航天局 開發了名爲 Expose的天體生物學實驗平臺 安裝在國際空間站外 用於研究生物化學樣品 在模擬的火星環境下 可否生存 在前期的實驗中 研究人員發現 暴露在模擬火星環境下的微生物 極少可以存活 爲了進一步研究 微生物在什麼情況下 能夠在火星維持生命力 Expose在2014年的第三次任務中 進行了生物學和火星實驗 以測量生物模在火星條件下的穩定性 46種生物 樣品中被放置在Expose平臺上 經歷了18個月 模擬火星環境生活後 運返至地球進行分析 在這次實驗中 多數微生物群落 仍被太空環境破壞 但其中一種 能夠生產細菌纖維素的木促桿菌 Comicative Bacter 卻存活下來 研究人員發現 它之所以在火星環境下 能夠維持生命力 完全歸功於一個 在太空中保護細菌的 好幫手細菌纖維素 在Expose實驗中 研究人員將乾燥的細菌纖維素 運送到國際空間站 宇航員將它固定在 艙外的Expose平臺 在這裏面經受了 18個月模擬火星的 環境測試後 樣本回到地球 和留在地球上的 同批乾燥纖維素 同時用製作康普茶的方式 進行再次培養 發現 一隻在地球上的乾燥纖維素 被激活7天后 長出了新的纖維素 火星旅行後的乾燥纖維素 在60天后 也長出了新的纖維素 在進行基因組比對後發現 雖然乾燥纖維素中的 微生物群落 受到了火星環境的破壞 但進行纖維素生產的 木醋桿菌 在火星旅行後依然存活 即使在火星的環境下 也仍舊具有 合成纖維素的能力 細菌纖維素 是一種由 以醋酸桿菌科爲代表的 細菌發酵代謝生成的 不溶於水的包外多糖 由獨特的細密三維纖維網構成 是一種細菌自我保護的產物 被送上太空的細菌纖維素 研究結果表明 這層細菌纖維素膜 可能是細菌在火星旅行後 仍然有生產能力的原因 是木醋桿菌給自己制了一件 抵禦地外環境的宇航服 爲什麼這層既有平面結構 又有輸水結構的纖維素 可以稱爲細菌外部的物理屏障 細菌纖維素 能夠優化細菌內的氧氣濃度 促進有氧固氮 保護細菌本身免受環境壓力 如子外線輻射 可以產生耐受酸性條件 代謝乙醇和產生有機酸的能力 還可以通過抑制污染物的代謝物擴散 從而使細菌內部 不受到其他微生物的入侵 能夠很好的保護細菌 支持細菌內部穩定運作 這層木醋桿菌給自己編制的宇航服 讓它在18個月的太空旅行後 仍然能夠生長出新的細菌纖維素 細菌纖維素 對於太空環境強大的耐受性 展現出未來助力人類進行太空探索的可能性 我們已經開始對於細菌纖維素 在太空中的應用有了暢想 以生物廢棄物管理 在外星建立居住趨勢 需要處理大量廢棄物 由於細菌纖維素是由純纖維素構成 是一種完全可降解的材料 在太空中使用細菌纖維素製造包裝 衣物等生活用品 可以減少太空中的垃圾堆積 提供可持續的太空生活 細菌纖維素培養過程中的副產品 也可以加以利用 二植物生長機制 細菌纖維素作爲發酵產物 還可以用作植物生長機制的一部分 細菌纖維素可以與其他材料混合使用 例如火山鹽、稀土和其他可用的地球材料 可以製造出一種類似於土壤的生長機制 提供適當的營養和水分 促進植物的生長 三太空服材料 太空服是在太空行走時 保護宇航員免受極端條件的影響的重要設備 細菌纖維素可以用作太空服的一部分 例如襯禮或面料 由於其高抗脹和抗輻射能力 可以提供額外的保護 纖維素的網狀結構 作爲服裝還可以吸收氣味 可以被摺疊成緊湊的體積還易於清洗 與生物的高相容性 也讓細菌纖維素與人體皮膚直接接觸時 不會產生過敏反應 高持水性還能緩解太空中的皮膚乾燥 還可以將細菌纖維素與其他材料進行復合 相比起目前的金屬材料太空服 能夠使太空服裝處理和回收更方便和環保 次建築材料 細菌纖維素還能與其他可用材料混合用作建築材料 例如磚板材和絕緣材料 製造出一種結實 耐用和具有隔熱性的 在火星上可以使用的建築材料 五太空藥品的製備和包裝 在太空環境中 藥品可能受到輻射、高溫、低溫和高真空等極端條件的影響 需要一種有較高穩定性的包裝材料 來保護藥品的質量和功效 細菌纖維素具有高強度、低毒性等特點 能夠有效地保護藥品並延長藥品的保質期 未來還可以用於製備藥品的載體或緩溼劑 通過改變結構和物理性質 來控制藥品的釋放、速度和作用時間 提高治療效果 研究太空醫學中的抗生素耐藥性 六太空運輸中的包裝材料 在太空環境下 傳統的塑料包裝會因爲輻射等因素失效 而細菌纖維素對於太空環境的耐受性 可以避免這種問題 網狀結構帶來的良好的氣體滲透性和透明度 可以用於製作高透明度和高透氣性的太空包裝材料 可以用於太空運輸中的食品和水處理 細菌纖維素的超強吸水能力 可以用於太空中的水分處理和回收 七太空電池 細菌纖維素良好的導電性和光學性能 可以用於太空電池和光伏電池等能源存儲器件的製作 在過去的一個世紀裏 我們逐漸瞭解這顆遙遠的靈星 在不遠的未來 人類在這顆紅色星球上是否會有新的生活 細菌纖維素正在幫助我們搭建這條走向火星的軌道 但即使模擬到這種程度 出行不便 住房逼則 食物單調 溝通不暢 仍然遠遠好過真實的火星環境 在真正的火星上 空氣極其稀薄 且主要成分是二氧化碳 因爲火星不像地球 擁有巨大的防輻射帶 它的大氣層會不斷被太陽風吹走 太陽風每天要從火星吹走9.6噸的大氣 更糟糕的是 火星表面一直受到強烈的輻射 而在地球上 模擬的氣息地不需要設備供應 就有適宜的溫度和氣壓 有可供呼吸的空氣 還有天然的防輻射帶 氣息地裏還是群居生活 即使遠離人群 信息傳遞存在極大的時間延遲 但也遠遠好過獨自一人的馬克吧 這樣你還不佩服馬克一人獨居火星的強心臟嗎 但是即使是居住在群居的氣息地裏 地球人能忍受在火星 可能面臨的狹小封閉的生存環境嗎 能忍受戶外生活 要穿上厚重的防輻射服 攜帶隨身的質氧儀器嗎 能忍受遍地荒蕪 溝通困難的情形嗎 如果還有人認爲 當地球不是以人類居住時 人們可以很簡單地移居到火星生活 這種想法是錯誤的 因爲地球是目前爲止 人類擁有的唯一一顆移居行星 我們要想辦法解決地球上出現的問題 使人們可以更加長久地生活在地球上 而不是寄希望於尋找新的家園 火星可能是未來人類移居的最好的選擇 但是比起地球 火星生存仍然是一個極大的挑戰