火星生命百年探寻

作者 傅承启

2020年4月24日，中国国家航天局宣布，将行星探测任务命名为"天问系列"，拟定于今年进行的首次火星探测任务正式命名为“天问一号”。“天问一号”火星探测器将一次性完成火星环绕、火星表面降落、巡视探测三大任务，这标志着我国行星探测的大幕将正式拉开。

无论哪个民族，都将火星这颗红色星球与火、战神或灾祸相连。“荧惑守心”——火星停留在心宿的天象（今称“留”），在古代中国就被视为战争、灾难或大祸。荧惑，是中国古代对火星的称谓，西汉司马迁《史记·天官书》称之为火赤，火星一名即源于此，由这些称谓可见我国古人对火星的颜色、亮度和位置变幻无常的好奇和迷惑之心。望远镜的发明，更将火星幻想成一个繁华的文明世界，也成为今日人类探测地外生命的首选星球。

火星，荒芜的世界

在太阳系的八大行星中，与地球最像的莫过于火星。火星是太阳的第四颗行星，与地球相邻，离太阳平均1.523天文单位，离地球最近时仅半个天文单位。火星每687地球日环绕太阳一周，公转速度约为24千米每秒，小于地球的29.8千米每秒。因此，地球每两年50天赶上外侧运行的火星，发生近距离相遇，称之为“冲”，火星每两年的观测和航天器发射窗口即源于此。由于公转轨道的大小、偏心率和倾角的变化，火星与地球每15年或17年有一次最接近的机会，称之为“大冲”。大冲期间火星离距球仅约1/3天文单位，那是火星观测和发射航天器的最佳时机，上次大冲在2018年，下次将在2035年。

火星半径3389千米，仅为地球的一半，其质量略大于地球的1/9。火星虽然很小，却有与地球十分相似的特征。例如每24小时37分22秒自转一周（火星日），只比地球慢41分18秒；自转轴的倾角为25.19°，与地球23.45°几乎相同。因此，火星也有几乎相同的昼夜变化和四季变化。此外，火星拥有大气层，两极也有夏缩冬扩的极盖。火星与地球这种相似性曾迷惑过许多近代科学家，错以为火星是另一个充满生命的星球。

实际上，火星的大气层很薄，因为火星表面重力只有地球的1/3，气体分子很容易逃离火星。此外，火星缺乏整体磁场，得不到磁场保护的火星大气也容易为太阳风所撕裂。火星表面的气压只有地球的0.6%，几乎全由二氧化碳（96%）组成，氮、氧极为稀少，而且十分干燥（0.0210%水汽），这种严酷恶劣的环境极不利于生命。

与地球一样，火星地形复杂多变，有高山、平原、峡谷，太阳系最高的奥林匹斯山（高25千米）、最深的水手峡谷（深7000米）都在火星。火星表面的土壤由富含氧化铁成分的沙尘组成，致使火星呈现红橙色。表面遍布沙丘、砾石，完全是个沙漠世界。火星的地貌分为两种类型：北方是被熔岩填平的低原，南方是坑坑洼洼的高地，两者泾渭分明，界以落差几千米的斜坡。科学家推测，40亿年前火星可能遭受过一个冥王星大小物体的撞击。

如今的火星没有火山运动，也没有地壳板块运动。不过仍有地质活动，例如约2亿年前的熔岩流、2000万年前的水流以及悬崖雪崩的痕迹。比起生机盎然的地球，火星实在是一个死气沉沉的荒芜世界。然而，300年来科学家却乐此不疲地在那里寻找生命，这是为什么呢？

地球化的火星

17世纪初发明的望远镜很快得到普及和流行。不久，意大利丰塔纳（Francesco Fontana）和耶稣会士巴尔托利神父（Daniello Bartoli）先后发现火星表面上的黑斑。1655年荷兰科学家惠更斯（Christiaan Huygens）绘制了一幅火星图，发现一个V字形黑斑，并用它定出火星24小时的自转。此后100多年里，绘制火星图成为天文学家研究火星的主要方法。火星的知识在1780年代得到快速提高，这归功于英国天文学家赫歇尔（William Herschel）。赫歇尔发现了火星的极斑及其季节性变化，准确测定了火星的自转速度（只比现代值慢15秒）及其自转轴倾角（28.7°），因此得出火星也有与地球相同的昼夜、四季和南北半球之分。赫歇尔还根据恒星在火星边缘发生亮度变化的事实认定火星拥有大气层，他认为火星局部的颜色变化是大气中的水汽和云雾造成的。火星与地球的种种相似对天文学家是一种极大的鼓励，使他们越来越相信火星就是另一个地球。

从18世纪末到19世纪，寻找火星与地球的共同点成为天文学最热门的学科，火星上的亮区被想象为大陆，黑暗区被想象为海和湖，极斑上覆盖的是雪，淡红色区域是美丽的夕阳......总之，想象为另一个地球。这种火星地球化的行为自1830年代起愈演愈烈，半个世纪后，火星被改变得面目全非，成了一个高度发达的世界，不但有河流、海洋和大陆，有山谷、山脉，有水、光、风、云、雨，还有环绕整个火星的运河系统，那里住着不同于人类的智慧生灵。

19世纪后叶有两位意大利人，一位是罗马学院天文台台长塞基神父（Angelo Secchi），1858年火星冲，塞基绘制了火星图，并将上面的大蓝斑称为大西洋水道，第一次引进了水道“canale”一词。另一位是天文学家斯基亚帕雷利（Giovanni Schiaparelli），他在1880 年代3次火星冲期间发现了60条水道，而且再次采用了“canale”一词。虽然有人怀疑是望远镜光学系统问题或光学错觉，但更多人接受斯基亚帕雷利的结果并声称也观察到了这种水道。更糟糕的是，斯基亚帕雷利的意大利原著在译成英译本时，“canale”被译成一个类似的词“canal”，后者在英语里主要指人工开凿的水道——运河，两者性质完全不同。远在数千万千米之外能看到的运河必定是巨大的工程，必定是比人类更聪明、更文明的工程师们建造的。法国科普天文学家弗拉马里翁（Camille Flammarion）就是这样想的，他认为，环球运河网系证明火星“居住有比人类更优越的人种似乎是非常可能的”。

美国的一位业余天文学家洛厄尔（Percival Lowell）更将火星人的论调推至极点。洛厄尔将继承斯基亚帕雷利的事业视为终生奋斗的目标，在1894年宣布发现了183条火星运河。他甚至建立了私人天文台，聘请天文学家专门从事火星的观察和研究。洛厄尔四处游说，兜售火星上存在智慧生命的观点。1906年出版《火星及其运河》、1908年出版《火星，生命的家园》，书中大胆地推断，火星“是富有建设能力的智慧生命的居所”。

对火星生命的狂热追捧，给世人造成一种影响，以为火星上存在着比地球文明程度更高的火星人，20世纪初还涌现出一大批火星和火星人的科幻小说和电影。1938年10月30日晚上，美国电台还播放了哥伦比亚广播公司的广播剧《世界大战》，编造了一个火星大军在新泽西州登陆的故事，以致有些听众误以为真。

1976年海盗1号和2号航天器先后降落火星表面，立即传回了火星的照片。火星上没有植物，没有宏大的生物，更没有洛厄尔笔下高度文明的火星人，一个世纪以来关于火星人的争论彻底结束。当然，没有火星人不等于没有火星生命，火星上有植被或微生物吗？有水吗？人类能移居火星吗？......火星生命条件和迹象的观测研究，成为1950年代以来科学家研究火星的新潮流。

寻找火星植被

红色，是火星最显著的特征，它为什么呈现红色？最早有人以为是火星大气造成的火星夕阳。1865年英格兰牧师道斯（William Dawes）发现，火星圆面中央的颜色最红，而那里却是大气层最薄处，从而否定了大气说。

塞基是第一个将火星上淡红色的区域认作为陆地的人。在他看来，火星与地球一样，蓝色的当然是海洋，红色的只能是陆地。至于陆地为什么是红色，他没有说。1860年法国天文学家利艾斯（Emmanual Liais）认为上面覆盖着红色的植被。弗拉马里翁（Flammarion，Nicolas-Camille）更为武断，说那里生长着红草地和红森林。1874年法国科学院甚至就火星红色是否是生命存在的证据展开了一场辩论。显然，证实火星植被的存在与否是问题的关键。

地球植物呈现绿色，因为植物叶绿素反射绿光。20世纪初，俄罗斯天文学家季霍夫（Gacriil Tikhov）试图在火星反射光里寻找叶绿素。二战结束后，他开始研究生长在高海拔和低温环境下植物的反射光，发现某些植物在极低温下会呈现非绿色的光。寻找火星叶绿素的还有美国宇宙学家斯里弗（Vesto Slipher）、预见小行星带的柯依伯（Gerard Kuiper）、创立赫罗图的罗素（Henry Russell）等人，最后，加拿大天文学家米尔曼（Peter Millman）在详细比较火星上不同区域的光谱后得出了权威结论：没有任何证据能够证明火星表面植被的存在或不存在。

没有高等植被，是否存在藻类地衣一类的低等植被呢？1940年代末，柯依伯用2米望远镜获得了第一张火星的彩色照片，认为照片上的绿色地区生长着地衣，暗区颜色的季节变化和长期变化就是这种原始植物存在的强烈信号。地衣由长细胞真菌和蓝绿藻两种有机物共生而成，是地球上生命力最顽强的植物，所以柯依伯断定它们在干燥缺氧的火星大气中也能生存。然而，至1950年代中后期，他自己也感觉到关于火星暗区颜色变化与地衣光谱相似的所谓证据十分勉强，从而不再坚持地衣学说，并提出了熔岩之类的无机解释。

就在火星植被说奄奄一息之际，美国另一位天文学家辛顿（Bill Sinton）接过了柯依伯的植被衣钵。他提出地球上生物有机分子因碳氢键的吸收在3.4~3.5微米反射光波谱处会出现凹陷（后被称为辛顿带），利用这一特征可寻找火星上的有机分子。1957年他发表论文说探测到了这种凹陷，认为是火星上存在有机分子的证据。他认为，考虑到暗区颜色的季节性变化，火星上极可能存在植物生命。尤其是第二年他在实验室里凑巧发现刚毛藻的光谱与火星光谱相似，更坚定了他的这一信念。

辛顿的观点引起了极大争议。支持者认为产生辛顿带的最可能是乙醛，并荒唐地将乙醛的产生类比为发酵过程。而反对者指出乙醛在火星环境下很容易挥发，高挥发性应使辛顿带在整个火星圆面上都能观测到而不只局限于暗区。还有人指出，假如是刚毛藻，那不应当只展现一个光谱特征，光谱上还应显示有其他特征。后来有人发现，辛顿带更可能是地球大气中的重水和半重水吸收产生，因为其吸收波长比乙醛更靠近辛顿带。

火星藻类说在1965年遭遇了滑铁卢。美国丹佛大学的一支研究团队和辛顿本人一起观测证实，火星光谱辛顿带是地球大气中的水汽特别是重水所致。就在那一年，水手4号传回了21张火星照片，终结了这长达百年的争论，没有红森林，没有树木，也没有地衣和藻类，有的只是风沙。

火星上有水吗？

水是生命存在的必要条件之一。那么，火星上有水吗？尤其是有液态水吗？这是寻找火星生命的科学家最关心的问题。两极冰盖、“湖海运河”的“发现”使近代科学家对火星有水深信不疑。不过，这毕竟是猜测，不是水存在的直接证据。19世纪下半叶光谱技术的发明为寻找水的证据带来了希望。

英国天文学家哈金斯（William Huggins）在1863年用原始分光镜观测火星，发现蓝端有许多吸收线，他立即断定火星的红色是因为火星大气中的水汽吸收蓝光、火星地表反射剩余红光的结果，而暗区颜色的变化则是火星大气中云雾消长的结果。因此，他得出了火星大气含有水汽的结论。

其实，哈金斯的解释只是一种猜测，蓝色吸收线究竟是什么物质产生的他并不知道，何况地球大气中充满了水汽，谁也说不清这些吸收线是火星大气还是地球大气产生的。美国天文学家坎贝尔（William Campbell）在19世纪末的20年里用更大、更好的望远镜和光谱仪观测火星，发现火星光谱与月球光谱几乎完全相同，月球是没有大气的，这就意味着哈金斯观测到的水汽是地球大气中的，而不属于火星大气。

半个世纪后更精确的观测发现，若将火星大气中的可降水汽含量铺满火星，只能形成14微米厚的水膜。1963年美国同温层2号高空气球在20多千米的同温层更精确测量得到的数值约为10微米。因此，火星是极为干燥的星球，其大气只含极微量的水汽。

1960年代起，水手号、海盗号、环球勘察者号、勇气号、机遇号、好奇号等各种航天器先后造访火星，清楚地显示火星地表没有液态水。不过，这些探测也表明，今天的火星在两极冰盖以及近地表层还存储有大量的水。

1998年环球勘测者的激光高度计发现，火星南北两极都有一层厚厚的干冰层，干冰层的下面则是水冰层。水冰层的总体积高达30万~40万立方英里，相当于半个格陵兰冰盖的水量，一旦融化可在火星表面形成30英尺深的全球性海洋。2003年快车号估计的水量更多，认为可形成66英尺深的全球性海洋。2013年法国科学家总结了过去20年来众多卫星的测量结果，得出火星近地表层中储存的水量足以形成80~96英尺深的全球性海洋。2016年侦察轨道器在火星北半球的尤托皮亚平原发现了一个地下冰原，厚达几百英尺，其水量相当于北美的苏必利尔湖。2018年快车号用雷达在南极冰盖下方1.5千米处也探测到一个延展20千米的冰河湖，这是火星上发现的第一个稳定水体。2000年勇气号与2006年环球勘测者还探测到火星表面有现代液态水流的证据，在几年时间里引起火山口峭壁因沉淀发生了变化；而凤凰号直接发现火星夏季斜坡上的水流活动。毫无疑问，火星近地表层内一定有更多的水体。

实际上，火星历史上可能1/3~3/4的表面都为液态水所覆盖，大量年代久远的网状峡谷和外流水道就是最充分的证据。有些外流水道宽达数十英里、长达几百英里，必定为巨量水流灾难性释放、冲刷和挖掘所形成，水流速度可能是亚马逊河的100倍。据估计，要形成这些外流水道，所需的水量足够形成一个1500~3000英尺深的全球性海洋。

火星曾拥有巨量水的证据还有许多。一个证据是火星上氘原子与正常氢原子的数量比D/H。如果火星与地球形成于同一个星云，最初应有相同的D/H值。但是测量表明，今天火星的D/H是地球的8倍，为什么？如果火星上曾有过大量的水，那就能完美解释这一点。水被太阳紫外辐射分解形成氢原子和氘原子，前者比后者更轻，更容易逃离火星，从而提高了氘原子相对比例。据估计，这种方式流失了约85%的水，因此古代火星上的水量应是今日的6倍。另一项证据来自火星奥德赛号的中子能谱仪和好奇号的中子反照率探测仪，前者能探测近地表层原子被宇宙射线撞击出来的中子，根据中子的能谱可识别这些原子；后者能主动发射中子束，利用反弹中子的速度识别这些原子。这两种仪器都发现火星的次地表层含有大量的氢。氢是不可能单独存在的，因此，岩石中含有大量水冰是最合理的推论。此外，火星上遍布的赤铁矿，也是火星年轻时有过大规模水流相互作用的证据。

火星曾拥有大量的水已是科学界的共识，问题是它们现在在哪里？毫无疑问，流失了一部分，但更多的可能还留在火星上。

寻找火星生命的痕迹

近半个世纪以来，探寻有机物和生命活动的标志物成为寻找火星生命的热点。火星上有过液态水，也有过合适的温度，因此也有存在或存在过生命的可能。假如火星生命类似地球生命，那么火星微生物会代谢释放碳化合物或某种气体。寻找这些气体和化合物便能判定火星生命存在与否。1976年的海盗号实验就是基于这一思想。

海盗号对火星土壤做了3个生物学实验（气体交换实验、标记释放实验和热解释放实验）以及1个气相色谱仪实验。第一个实验检测火星土壤中有否正在进行呼吸的微生物；第二个实验检测土壤中是否有生物代谢释放的二氧化碳；第三个实验检测土壤中的假想生物是否释放出含碳物质。3个实验最初都认为探测到了非常像生物代谢的信号。后来经过仔细分析，确定前两个实验只是证明火星表面存在过氧化物而已，它们遇到水释放氧气、遇到含碳化物的水释放二氧化碳。对于第三个实验，科学家发现土壤中的富铁物质经过化学反应能够产生含碳物质，也无需生物的活性。总之，3个实验都可用非生物反应予以解释。至于第四个气相色谱仪实验，目的是探测和识别火星土壤中的有机物。实验的基本过程是：对土壤样本进行加热并喷入氢气，然后测量气体发射的光以确定气体成分。实验确定没有生成萘、苯、丙酮等化合物。结论是：火星土壤物质不能有效地合成有机物，完全否定了前3个实验最初的结果。

不过，标记释放实验首席莱文（Gilbert Levin）始终坚持认为他们的实验检测到了土壤中的微生物，即检测到火星生命。他还认为气相色谱仪实验有可能因土壤中有机物密度太低而发生遗漏。他的观点在2010年得到了墨西哥和美国的两位科学家的支持，他们在沙漠土壤中加入不含碳的过氯酸盐，结果得到了含有碳原子的氯甲烷和二氯甲烷，这说明沙漠土壤中含有碳分子。事实上，当年两艘海盗号都检测到这两种气体，当时认为是地球的污染，不小心带到火星上去的。2008年凤凰号也在火星土壤中发现了过氯酸盐。因此，海盗号检测到的氯甲烷和二氯甲烷有可能是火星土壤中的过氯酸盐与有机分子反应所产生。海盗号标记释放实验的解释迄今没有达成统一。

据2018年最新报道，好奇号在火星盖尔坑35亿年的古老沉积层内采集的样品的热解气体中发现噻吩、芳族和脂族化合物。当然这些有机碳是否与生物过程有联系尚不清楚。

实验探寻火星有机物的工作，同样也在地球上进行，那就是对火星陨石的研究。1984年美国陨石搜寻队在南极找到了一块古铜无球粒陨石ALH84001，这类陨石大多数来自灶神星，但是这块陨石的X射线光谱、氧同位素比以及内部气泡所含的稀有气体含量都将其发源地指向了火星。

火星陨石是研究火星古代生命的化石，极其难得，当时甚至还惊动了美国总统克林顿，在白宫草坪上专门为此发表了讲话。

美国麦凯（David Mckay）团队发现ALH84001陨石中有含碳分子组成的微小杆状结构、多环芳烃、橙色碳酸盐球以及共存的磁铁矿晶体与硫化铁，他们认为这些是火星古代生命的证据。他们的观点并不被认同。反对者认为那些杆状结构是非生物的纳米微粒，普通矿物结晶也可形成；多环芳烃则遍布于宇宙，找不到比找到更难；至于碳酸盐球被一致认为是矿物质通过非生物过程从过饱和水溶液中析出。而磁铁矿晶体，麦凯认为是火星纳米菌产生并沉积于岩石，因为它们与地球趋磁菌里的磁晶体很相似。但是各种趋磁菌内部的磁晶体在结构、形态等上差别很大，简单的相似比较不能得出生物起源结论。总之，ALH84001上的发现可用非生物过程得到更好的解释。截至2018年，虽然发现了200多块火星陨石，但都没有完整的生物证据。

火星甲烷之争

半个多世纪以来，探测火星大气甲烷成为另一个寻找火星生命的热点。道理很简单，因为地球上的甲烷绝大部分来自生物活动，例如反刍动物的消化过程、白蚁排泄、有机物分解、微生物活动等，其数量远超非生物的火山等地质活动所释放的。根据火星现有的环境，二氧化碳含量达96%的火星大气不应该含有甲烷，因为这是一种强氧化环境，甲烷很容易分解成二氧化碳和水。另外，甲烷也容易为太阳的紫外辐射所分解。因此，火星甲烷的寿命不会超过600年。所以，要是火星上找到甲烷，就意味着火星上存在或曾存在过生命的结论。

1970年代，水手7号与9号对火星甲烷的测量表明，火星大气里缺乏甲烷，其含量上限为20ppb（1ppb=10 -9），即每十亿个大气分子只有20个甲烷分子，这使科学家对火星甲烷失去了兴趣。直到1990年代末到21世纪初，有3个团队——美国的克拉斯诺波尔斯基（Vladimir Krasnopolsky）团队、穆马（Mike Mumma）团队以及欧洲的火星快车号团队先后声称发现了火星甲烷。前两个团队用地面大望远镜搜寻火星甲烷的近红外线，其主要困难是需要建模分离地球和火星的甲烷线，消除前者的影响。这3个团队先后报告探测到平均10ppb的火星甲烷。不过，他们对甲烷来源的解释却各不相同。克拉斯诺波尔斯基认为甲烷的发现暗示存在火星生命，穆马则认为来源于火星火山活动或深处岩石。此外，穆马与快车号还观测到甲烷丰度随季节、纬度和经度的变化。奇怪的是，这3个团队在2006年初的观测却发现甲烷含量突然降到探测阈值以下，这不但要求火星有短时间释放甲烷的源，还得有快速消除甲烷的漏。这些结果迄今无法得到完美解释。

2012年着陆的好奇号带着一台火星样品分析仪SAM，直接对火星大气的甲烷含量进行测量，探测阈值仅为零点几ppb。SAM从着陆的第79火星日（2012年10月）到第234个火星日（2013年6月）期间共做了6次实验，得到的甲烷含量仅为0.18ppb。但在2013年11月底到2014年初发现甲烷含量突然升高到5~7ppb，在接下来的40多天里甲烷又消失不见了。起先人们以为是“偷渡”的地球甲烷作怪，因为好奇号在发射前曾做过甲烷含量标定实验，将一定数量的甲烷灌入样品池，尽管发射前已将甲烷排空，但实际测量表明残留的地球甲烷还有1万ppb，远比火星甲烷含量高。所以正式实验不得不延迟到第79火星日开始，即使那时样品池内还有90ppb地球甲烷，1年后虽已降到20ppb以下，但仍远高于火星甲烷含量。所以，好奇号的测量是在高甲烷背景下进行，可信程度大为下降。至2017年，好奇号在5年里探测到平均0.41ppb的甲烷，以及强而可重复的季节变化。

欧俄联合研制的火星微量气体轨道器在2016年抵达火星后，于2018年4月开始绘制甲烷含量图、甲烷源图以及分解物（甲醛和甲醇）图。截至2019年5月，甲烷含量都低于探测阈值。所以，迄今为止对火星大气甲烷含量仍无法作出确定的结论。

300余年来，人类对火星生命的追梦可谓热火朝天，从小望远镜到大望远镜，从目视、照相、光谱、雷达到登陆采样实验，即便如此，迄今依然不能确定火星生命的存在，既不能肯定，也不能否定。今天的共识是，如果火星上存在或存在过生命，那最可能存在于地下。如今，人类登陆火星不再遥远，火星生命之谜揭开之日已可期待。当然，人类必须小心万分，不要将地球上的微生物带往火星，更要严防将可能存在的火星病毒带回地球。

傅承启：研究员，中国科学院上海天文台，上海 200030。fucq@shao.ac.cn

Fu Chengqi: Research Professor, Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030.

关键词：火星生命 火星植被 火星甲烷 ■