40年前，探测器第一次在火星着陆。从那时起，天文学家逐渐对火星有了很多认知。我们知道，火星表面曾经存在液态水，也知道火星和地球的早期历史很相似。35亿年前，地球上开始出现生命，那时的火星是一个比现在温暖，有液态海洋、磁场和较厚大气层的星体。由于这两颗行星的相似性，我们有理由认为火星上曾经存在过生命。
事实上，据我们所知，这颗红色星球上现在仍然可能存在微生物。过去35年中，火星探测任务都集中于对火星地质的探测，而不是火星生物的探测。唯一 一次例外是1976年着陆的“海盗”1号（Viking 1）和“海盗”2号（Viking 2）火星探测器，它们进行了第一次、也是迄今为止唯一 一次对火星生命的探索。每艘“海盗”号航天器都完成了与生物探测相关的4组实验，但每组实验返回的结果都是模棱两可的数据。这两次对火星生命的探索带给我们的只有疑惑，而并非答案。现在，我们已经知道，即使火星上存在生命，“海盗”号探测器的实验方法也不一定能够检测到。这意味着，对于火星上是否存在生命这个问题，答案仍然未知。
幸运的是，最近几十年，微生物学家已经开发出很多新工具，用来检测微生物。这些工具现在都只是用于地球微生物的探测，但是，这些仪器一旦被今后的某次火星探测任务所采用，火星上是否存在生命这个问题，就能得到一个明确的答案。
第一次探测
“海盗”号探测任务使用了当时的标准探测技术，在火星上寻找生命迹象。在最初的探测实验中，着陆器挖掘出火星的土壤样本，然后向土壤中添加含碳化合物，作为可能存在的微生物的“食物”。如果土壤中真的存在微生物，它们就会消耗含碳化合物，释放出二氧化碳。
事实上，“海盗”号任务确实检测到了微生物的生命活动，就这个实验而言，似乎可以说明火星土壤中存在微生物。但与其他几次实验的结果相对照时，研究人员却无法肯定微生物的存在。
探测器的第二次实验是寻找光合作用的证据，但得到的结果并不明确。第三次实验是向土壤样品加水，如果有生命存在，湿润的土壤中就可能产生二氧化碳，但实验产生的物质却是氧气。这是一种非常奇怪的实验现象，至少地球土壤没有出现过这种结果。科学家认为，氧气是来自于火星土壤的化学反应。
第四次实验是探测火星土壤中的有机化合物。含碳化合物是构成生命的基石。如果火星上曾经有生命存在，我们就有可能找到这些有机物。但是，仅凭有机物并不能确定火星上曾经存在过生命，因为有机物还可能是由降落在火星上的陨石带来的。令人困惑的是，这组实验没有发现任何有机物存在的证据。
综合考虑这四次实验，实验结果难倒了研究人员。大多数科学家将最后两次实验的结果解释为由化学反应产生，但化学反应不能完全解释第一次实验的结果。虽然少数研究火星的科学家认为，第一次实验找到了火星生命存在的证据，但多数人得出的结论是，火星是没有生命的。
2008年，“海盗”号探测器着陆火星32年后，美国航空航天局（NASA）的“凤凰”号（Phoenix）探测器在火星北极地区着陆，科学家终于开始解开谜团。出乎所有人的意料，“凤凰”号在火星上检测到了高氯酸盐，这是一种地球上十分罕见的分子，其结构特点是4个氧原子与1个氯离子相连，然后连接镁离子或钙离子。当温度达到350℃时，高氯酸盐会分解，释放活性氧和氯，因为这种特性，高氯酸盐常被用作火箭燃料。
这一发现使研究者认为，高氯酸盐很可能磨灭了那些土壤中的生命痕迹。在“海盗”号探测有机物的实验中，首先要将土壤样品加热到500℃，让有机分子气化，从而检测以气态形式存在的有机物。但在2010年，由墨西哥国立自治大学的拉斐尔·纳瓦罗-冈萨雷斯（Rafael Navarro-González）领导的团队（本文作者麦凯就是该团队成员）发现，在加热过程中，高氯酸盐能完全氧化土壤中的所有含碳化合物。
高氯酸盐的发现也能解释“海盗”号第一次、第三次实验的结果。在第一次实验中，向土壤加入碳源后，能产生二氧化碳，是因为暴露在宇宙射线中的高氯酸盐会产生类似漂白剂的化合物，这类化合物会使有机分子（如那些添加到土壤中的碳源）分解，产生二氧化碳。而在第三次实验中，之所以能在湿润的土壤中检测到氧气，是因为高氯酸盐在生成漂白剂类化合物的过程中会产生氧气，这些氧气保存在初始土壤中，当加热土壤时，就会释放出来，从而被“海盗”号检测到。这样，“海盗”号留下的这两个问题也就得到了解释。
然而，科学家在火星上发现生命的愿望，仍有可能成真。2012年，“好奇”号（Curiosity）火星车已经在火星表面着陆，并从那时起一直采集土壤样品。今年初，由NASA戈达德太空飞行中心的保罗·马哈菲（Paul Mahaffy）带领的火星样品分析团队（麦凯是团队一员）报道称，“好奇”号在盖尔撞击坑（Gale Crater）底部的古老泥岩中，检测到了有机碳和高氯酸盐。因此，火星存在有机物，只是“海盗”号的实验方法无法检测到。对于火星上的生命物质，是否可能有同样的情况？
寻找氨基酸
在“海盗”号着陆后的40年里，微生物技术发生了巨大变化。现在来看，“海盗”号采用的在培养皿中培养微生物的方法存在缺陷，因为只有小部分微生物能在培养皿中存活。现在，科学家已经研发出灵敏度更高的探测技术，能够从分子水平直接检测微生物。这为开发全新的探测火星生命的方法奠定了基础。
其中最常用的是DNA检测和测序技术。这种方法可以通过基因克隆，产生足够的DNA用来测序，因此不再需要培养微生物。一些研究团队正在研究提取DNA的方法，希望能整合到用于火星探测任务的设备上。
但是，依靠DNA检测，来寻找火星生命的探测方法有个缺陷：尽管绝大多数地球生物都有DNA，但地外生命却不一定。即使有，也可能与地球生物的DNA完全不同，以至于DNA检测装置根本无法检测到。
幸运的是，火星上可能存在其他的生物标志物，如蛋白质和多糖。蛋白质由20多种生命必需的氨基酸构成，在一些陨石中，就能检测到氨基酸，因此这种物质可能是任何能产生生命的环境都具有的物质。多糖是在酶（生物催化剂）的作用下合成的糖链，这些酶本身也是蛋白质。
检测到复杂的蛋白质或多糖分子，将会是证明火星生命存在的强大证据。因为从广义来说，生物体就是编码信息，并使用这些信息来构建复杂分子。与简单的非生物分子相比，这些复杂分子构成的生物系统会非常明显，正如在一片荒石中，摩天大楼会非常显眼。
帕罗·加西亚（Parro García）一直在研发能在火星上检测复杂分子的仪器，这种仪器基于一项技术——免疫测试，目前这种技术已用于同时检测数百种不同类型的蛋白质、多糖和其他生物分子（包括DNA）。
免疫测试会采用一种Y形蛋白质作为抗体，每种抗体都会与特定类型的生物分子相结合。在免疫测试中，一种常用的方法是，把可能包含待测目标分子的溶液，涂在一个抗体阵列上，其中每一种抗体都会与特定的目标分子结合。如果样品溶液含有目标分子，抗体将与之结合，识别出目标分子。
免疫测试有一个很大的优势是，抗体能够检测出比完整蛋白质更小、更简单的分子。这样，使用免疫测试的仪器就可以检测那些与生命相关的、简单的分子，如蛋白质分解后产生的小片段，而发现这些片段，同样意味着火星生命的存在。
地球上的生物体总共含有数百万种蛋白质，我们如何从这么多蛋白质中挑选出几百个，保证一次免疫测试就能检测出来？最简单的回答是，我们无法完全保证。但是，我们可以基于以下两点，合理地推测出要在火星上检测的蛋白质：首先，我们要搜寻的蛋白质必须有利于生物体在火星上生存，或者说是生物体在火星上生存所必需的。例如，我们可以搜寻一些可以消耗高氯酸盐，或者有助于生物体适应火星的寒冷环境，或者能够修复因强烈电离辐射而损伤的DNA的酶。其次，我们可以将微生物界普遍存在的分子作为探测目标，如肽聚糖（peptidoglycan，所有细菌细胞壁的组成成分），或三磷酸腺苷（adenosine tri-phosphate，ATP，地球上所有生物体都用其传递化学能，完成代谢活动）。
即使像DNA和蛋白质这样的大分子已经被火星的恶劣环境破坏，我们仍能从分子碎片中发现生命存在的证据。关键是搜索的方式。很多类型的分子在化学结构上对称，但可能具有相反的“手性”——左旋或右旋分子。地球生命以左旋分子为主。如果我们检测到氨基酸，并在火星上发现一系列以左旋或右旋为主的氨基酸，这将是令人信服的火星上存在生命的证据。有趣的是，如果是右旋氨基酸——与地球上的蛋白质相反，这将证明火星生命与地球生命是各自独立演化的。
未来实验计划
“海盗”号携带了三类生物学实验设备。我们可以设想这样一个火星探测任务器，它也携带三种搜索生物标记物的仪器——DNA检测仪、免疫测试芯片，以及检测、识别氨基酸的仪器。这几项技术现已基本成熟，接下来的任务是要在火星表面，找到保存生物标记物的最佳场所。
火星上的冰和盐，能防止生物标记物受损和腐烂，而电离辐射和高温，则是这些生物标记物的敌人。幸运的是，火星的低温环境使热分解现象可以忽略不计——甚至从火星诞生至今都是如此。但电离辐射会在数十亿年的时间内，破坏火星表层约一米深处的生物标记物。因此，探索火星生命的候选地点可以是火星上的冰层，如“凤凰”号着陆的火星北极，或因遭受侵蚀而有古老物质暴露在地表不久的地点。在这两种情况下，我们都需要钻取火星表层一米以下的样品。
目前准备开展的火星探测任务能够支持这种检测。欧洲空间局的“天外火星”（ExoMars）探测器将于2018年发射，它将携带取样钻机。NASA最近宣布，要在2020年发射另一艘“好奇”号火星车。对于在火星赤道干旱地区的盐类和沉积物中检测生物标记物这一工作，“天外火星”和新“好奇”号探测器都能够胜任。（两个探测器都不能在极地发挥作用。）
对极地生物标记物的检测，NASA正在研发一种被称为破冰船的着陆器，这种着陆器配备了一米长的钻孔仪和免疫测试设备，用以在火星上多水的北部，寻找永久冻土中的生物标记物。
以上每一项任务都将使火星探测进入一个新时代。过去几十年的研究证明，火星曾经存在液态水，现在需要探测这个曾经含水的天体是否存在生命。如果我们发现火星存在生物分子——尤其是表征火星生命起源与地球不同的生物分子，将使我们超越对地球生命的认识。
正如我们已经知道的，宇宙空间有很多恒星和行星的存在，今后我们也将认识到有多种地外生命的存在。我们将认识到宇宙生命的多样性。
视频链接：
http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NDA1Njg2MA==&mid=201249249&idx=1&sn=d54eb7ff5367fcc65ad8f6aa0e553001&scene=1&from=singlemessage&isappinstalled=0#rd
本文来自《环球科学》2014年7月号。
撰文 克里斯托弗·P·麦凯（美国航空航天局埃姆斯研究中心研究员）
维克托·帕罗·加西亚 （西班牙天体生物学中心研究员）
翻译 程子烨[中国地质大学（武汉）行星科学研究所的博士研究生，从事天体生物学研究]
审校 肖龙[中国地质大学（武汉）地球科学学院副院长，行星科学研究所常务副所长]
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科学普及
2020，找到火星生命？
40年前，探测器第一次在火星着陆。从那时起，天文学家逐渐对火星有了很多认知。我们知道，火星表面曾经存在液态水，也知道火星和地球的早期历史很相似。35亿年前，地球上开始出现生命，那时的火星是一个比现在温暖，有液态海洋、磁场和较厚大气层的星体。由于这两颗行星的相似性，我们有理由认为火星上曾经存在过生命。
事实上，据我们所知，这颗红色星球上现在仍然可能存在微生物。过去35年中，火星探测任务都集中于对火星地质的探测，而不是火星生物的探测。唯一 一次例外是1976年着陆的“海盗”1号（Viking 1）和“海盗”2号（Viking 2）火星探测器，它们进行了第一次、也是迄今为止唯一 一次对火星生命的探索。每艘“海盗”号航天器都完成了与生物探测相关的4组实验，但每组实验返回的结果都是模棱两可的数据。这两次对火星生命的探索带给我们的只有疑惑，而并非答案。现在，我们已经知道，即使火星上存在生命，“海盗”号探测器的实验方法也不一定能够检测到。这意味着，对于火星上是否存在生命这个问题，答案仍然未知。
幸运的是，最近几十年，微生物学家已经开发出很多新工具，用来检测微生物。这些工具现在都只是用于地球微生物的探测，但是，这些仪器一旦被今后的某次火星探测任务所采用，火星上是否存在生命这个问题，就能得到一个明确的答案。
第一次探测
“海盗”号探测任务使用了当时的标准探测技术，在火星上寻找生命迹象。在最初的探测实验中，着陆器挖掘出火星的土壤样本，然后向土壤中添加含碳化合物，作为可能存在的微生物的“食物”。如果土壤中真的存在微生物，它们就会消耗含碳化合物，释放出二氧化碳。
事实上，“海盗”号任务确实检测到了微生物的生命活动，就这个实验而言，似乎可以说明火星土壤中存在微生物。但与其他几次实验的结果相对照时，研究人员却无法肯定微生物的存在。
探测器的第二次实验是寻找光合作用的证据，但得到的结果并不明确。第三次实验是向土壤样品加水，如果有生命存在，湿润的土壤中就可能产生二氧化碳，但实验产生的物质却是氧气。这是一种非常奇怪的实验现象，至少地球土壤没有出现过这种结果。科学家认为，氧气是来自于火星土壤的化学反应。
第四次实验是探测火星土壤中的有机化合物。含碳化合物是构成生命的基石。如果火星上曾经有生命存在，我们就有可能找到这些有机物。但是，仅凭有机物并不能确定火星上曾经存在过生命，因为有机物还可能是由降落在火星上的陨石带来的。令人困惑的是，这组实验没有发现任何有机物存在的证据。
综合考虑这四次实验，实验结果难倒了研究人员。大多数科学家将最后两次实验的结果解释为由化学反应产生，但化学反应不能完全解释第一次实验的结果。虽然少数研究火星的科学家认为，第一次实验找到了火星生命存在的证据，但多数人得出的结论是，火星是没有生命的。
2008年，“海盗”号探测器着陆火星32年后，美国航空航天局（NASA）的“凤凰”号（Phoenix）探测器在火星北极地区着陆，科学家终于开始解开谜团。出乎所有人的意料，“凤凰”号在火星上检测到了高氯酸盐，这是一种地球上十分罕见的分子，其结构特点是4个氧原子与1个氯离子相连，然后连接镁离子或钙离子。当温度达到350℃时，高氯酸盐会分解，释放活性氧和氯，因为这种特性，高氯酸盐常被用作火箭燃料。
这一发现使研究者认为，高氯酸盐很可能磨灭了那些土壤中的生命痕迹。在“海盗”号探测有机物的实验中，首先要将土壤样品加热到500℃，让有机分子气化，从而检测以气态形式存在的有机物。但在2010年，由墨西哥国立自治大学的拉斐尔·纳瓦罗-冈萨雷斯（Rafael Navarro-González）领导的团队（本文作者麦凯就是该团队成员）发现，在加热过程中，高氯酸盐能完全氧化土壤中的所有含碳化合物。
高氯酸盐的发现也能解释“海盗”号第一次、第三次实验的结果。在第一次实验中，向土壤加入碳源后，能产生二氧化碳，是因为暴露在宇宙射线中的高氯酸盐会产生类似漂白剂的化合物，这类化合物会使有机分子（如那些添加到土壤中的碳源）分解，产生二氧化碳。而在第三次实验中，之所以能在湿润的土壤中检测到氧气，是因为高氯酸盐在生成漂白剂类化合物的过程中会产生氧气，这些氧气保存在初始土壤中，当加热土壤时，就会释放出来，从而被“海盗”号检测到。这样，“海盗”号留下的这两个问题也就得到了解释。
然而，科学家在火星上发现生命的愿望，仍有可能成真。2012年，“好奇”号（Curiosity）火星车已经在火星表面着陆，并从那时起一直采集土壤样品。今年初，由NASA戈达德太空飞行中心的保罗·马哈菲（Paul Mahaffy）带领的火星样品分析团队（麦凯是团队一员）报道称，“好奇”号在盖尔撞击坑（Gale Crater）底部的古老泥岩中，检测到了有机碳和高氯酸盐。因此，火星存在有机物，只是“海盗”号的实验方法无法检测到。对于火星上的生命物质，是否可能有同样的情况？
寻找氨基酸
在“海盗”号着陆后的40年里，微生物技术发生了巨大变化。现在来看，“海盗”号采用的在培养皿中培养微生物的方法存在缺陷，因为只有小部分微生物能在培养皿中存活。现在，科学家已经研发出灵敏度更高的探测技术，能够从分子水平直接检测微生物。这为开发全新的探测火星生命的方法奠定了基础。
其中最常用的是DNA检测和测序技术。这种方法可以通过基因克隆，产生足够的DNA用来测序，因此不再需要培养微生物。一些研究团队正在研究提取DNA的方法，希望能整合到用于火星探测任务的设备上。
但是，依靠DNA检测，来寻找火星生命的探测方法有个缺陷：尽管绝大多数地球生物都有DNA，但地外生命却不一定。即使有，也可能与地球生物的DNA完全不同，以至于DNA检测装置根本无法检测到。
幸运的是，火星上可能存在其他的生物标志物，如蛋白质和多糖。蛋白质由20多种生命必需的氨基酸构成，在一些陨石中，就能检测到氨基酸，因此这种物质可能是任何能产生生命的环境都具有的物质。多糖是在酶（生物催化剂）的作用下合成的糖链，这些酶本身也是蛋白质。
检测到复杂的蛋白质或多糖分子，将会是证明火星生命存在的强大证据。因为从广义来说，生物体就是编码信息，并使用这些信息来构建复杂分子。与简单的非生物分子相比，这些复杂分子构成的生物系统会非常明显，正如在一片荒石中，摩天大楼会非常显眼。
帕罗·加西亚（Parro García）一直在研发能在火星上检测复杂分子的仪器，这种仪器基于一项技术——免疫测试，目前这种技术已用于同时检测数百种不同类型的蛋白质、多糖和其他生物分子（包括DNA）。
免疫测试会采用一种Y形蛋白质作为抗体，每种抗体都会与特定类型的生物分子相结合。在免疫测试中，一种常用的方法是，把可能包含待测目标分子的溶液，涂在一个抗体阵列上，其中每一种抗体都会与特定的目标分子结合。如果样品溶液含有目标分子，抗体将与之结合，识别出目标分子。
免疫测试有一个很大的优势是，抗体能够检测出比完整蛋白质更小、更简单的分子。这样，使用免疫测试的仪器就可以检测那些与生命相关的、简单的分子，如蛋白质分解后产生的小片段，而发现这些片段，同样意味着火星生命的存在。
地球上的生物体总共含有数百万种蛋白质，我们如何从这么多蛋白质中挑选出几百个，保证一次免疫测试就能检测出来？最简单的回答是，我们无法完全保证。但是，我们可以基于以下两点，合理地推测出要在火星上检测的蛋白质：首先，我们要搜寻的蛋白质必须有利于生物体在火星上生存，或者说是生物体在火星上生存所必需的。例如，我们可以搜寻一些可以消耗高氯酸盐，或者有助于生物体适应火星的寒冷环境，或者能够修复因强烈电离辐射而损伤的DNA的酶。其次，我们可以将微生物界普遍存在的分子作为探测目标，如肽聚糖（peptidoglycan，所有细菌细胞壁的组成成分），或三磷酸腺苷（adenosine tri-phosphate，ATP，地球上所有生物体都用其传递化学能，完成代谢活动）。
即使像DNA和蛋白质这样的大分子已经被火星的恶劣环境破坏，我们仍能从分子碎片中发现生命存在的证据。关键是搜索的方式。很多类型的分子在化学结构上对称，但可能具有相反的“手性”——左旋或右旋分子。地球生命以左旋分子为主。如果我们检测到氨基酸，并在火星上发现一系列以左旋或右旋为主的氨基酸，这将是令人信服的火星上存在生命的证据。有趣的是，如果是右旋氨基酸——与地球上的蛋白质相反，这将证明火星生命与地球生命是各自独立演化的。
未来实验计划
“海盗”号携带了三类生物学实验设备。我们可以设想这样一个火星探测任务器，它也携带三种搜索生物标记物的仪器——DNA检测仪、免疫测试芯片，以及检测、识别氨基酸的仪器。这几项技术现已基本成熟，接下来的任务是要在火星表面，找到保存生物标记物的最佳场所。
火星上的冰和盐，能防止生物标记物受损和腐烂，而电离辐射和高温，则是这些生物标记物的敌人。幸运的是，火星的低温环境使热分解现象可以忽略不计——甚至从火星诞生至今都是如此。但电离辐射会在数十亿年的时间内，破坏火星表层约一米深处的生物标记物。因此，探索火星生命的候选地点可以是火星上的冰层，如“凤凰”号着陆的火星北极，或因遭受侵蚀而有古老物质暴露在地表不久的地点。在这两种情况下，我们都需要钻取火星表层一米以下的样品。
目前准备开展的火星探测任务能够支持这种检测。欧洲空间局的“天外火星”（ExoMars）探测器将于2018年发射，它将携带取样钻机。NASA最近宣布，要在2020年发射另一艘“好奇”号火星车。对于在火星赤道干旱地区的盐类和沉积物中检测生物标记物这一工作，“天外火星”和新“好奇”号探测器都能够胜任。（两个探测器都不能在极地发挥作用。）
对极地生物标记物的检测，NASA正在研发一种被称为破冰船的着陆器，这种着陆器配备了一米长的钻孔仪和免疫测试设备，用以在火星上多水的北部，寻找永久冻土中的生物标记物。
以上每一项任务都将使火星探测进入一个新时代。过去几十年的研究证明，火星曾经存在液态水，现在需要探测这个曾经含水的天体是否存在生命。如果我们发现火星存在生物分子——尤其是表征火星生命起源与地球不同的生物分子，将使我们超越对地球生命的认识。
正如我们已经知道的，宇宙空间有很多恒星和行星的存在，今后我们也将认识到有多种地外生命的存在。我们将认识到宇宙生命的多样性。
视频链接：
http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NDA1Njg2MA==&mid=201249249&idx=1&sn=d54eb7ff5367fcc65ad8f6aa0e553001&scene=1&from=singlemessage&isappinstalled=0#rd
本文来自《环球科学》2014年7月号。
撰文 克里斯托弗·P·麦凯（美国航空航天局埃姆斯研究中心研究员）
维克托·帕罗·加西亚 （西班牙天体生物学中心研究员）
翻译 程子烨[中国地质大学（武汉）行星科学研究所的博士研究生，从事天体生物学研究]
审校 肖龙[中国地质大学（武汉）地球科学学院副院长，行星科学研究所常务副所长]