如果“毅力号”在火星上发现生命证据，我们将如何识别它？

如果一切按计划进行，美国宇航局“毅力号”火星车于2021年2月18日抵达火星，将标志着火星探索一个时代的结束。

第一个时代始于1964年，当时水手4号——第一个成功的火星探测器——飞掠火星并传回了一个看似贫瘠、布满陨石坑、像月球一样的世界的图像。对于在关于火星是严酷但宜居之地的奇幻故事中长大的人们来说，这些景象令人震惊。随后的任务描绘了一个更多样化、更细致的火星环境，这让1976年的“海盗号”任务带来了希望。两个着陆器挖入红色土壤并测试了生命迹象——但它们一无所获。这些结果以一个令人失望的信息结束了第一个时代：火星是一个死亡的星球。

在接下来的二十年里，行星科学家开始意识到“海盗号”的实验是幼稚的，因为它们对火星的地质和化学知识不足。第二个火星时代始于1996年，当时美国宇航局的火星全球勘测者号进入轨道，小型旅居者号火星车开始在火星表面行驶。这次的目标是深入了解这颗行星的历史和演变，着眼于找出生命是否曾在那里扎根，即使它在数十亿年前已经灭绝。随着时间的推移，来自印度和欧洲空间局（ESA）的航天器，以及现在的中国和阿拉伯联合酋长国，也加入了这项努力。

毅力号是火星探索第二时代的巅峰之作。这将是火星车首次探索火星表面，不仅是为了进行本地研究，更是为了收集样本并将其带回地球。届时，世界上所有研究实验室的力量都将释放出来。这些研究的结果最终可能会揭示长期寻找的外星生命迹象，或者大大加强火星从未是我们所希望的生命星球的论证。

科学好奇心、国际竞争以及埃隆·马斯克等私人探险家都保证火星探索的第三个时代将会到来。但这个时代会是什么样子，将深刻地取决于“毅力号”在火星杰泽罗陨石坑周围取样时发现了什么。您可以通过美国宇航局的在线直播观看登陆实况（有光速时间延迟！），直播将于美国东部时间2月18日下午2:15开始。着陆后，同一天美国东部时间晚上8点，国家地理频道将通过一部两小时的纪录片《为火星而生：“毅力号”火星车》深入探讨任务的背景故事。

即使着陆顺利进行，我们也要到本十年晚些时候，当美国宇航局和欧洲空间局发起一项任务，将15厘米长的样本管送回地球时，才能知道“毅力号”旅程的真正意义。我采访了“毅力号”的副项目科学家兼《为火星而生》中的一位受访者肯·威利福德，讨论了该任务的目标，以及他对这台勇敢的机器人可能发现什么的最大希望（和担忧）。以下是经过轻微编辑的我们的对话。

“毅力号”表面上与它的前身美国宇航局的“好奇号”火星车相似，但我知道外表是骗人的。这项任务根本上有什么不同？

好问题。“毅力号”推动科学进步的方式是，我们正在直接寻找古代生命的迹象，因此，正在以一种比20世纪70年代中期的“海盗号”任务以来任何任务都更严肃的方式，或者更直接的方式，来寻找地球以外生命的证据。这并不是对好奇号的贬低。我自己也参与了那个任务，并且非常喜欢它；它非常成功。我们站在巨人的肩膀上，但也在迈出下一步。

作为一名天体生物学家，让我如此兴奋的是有机会参与一项直接而明确地肩负着寻找地球以外生命证据的任务。我们与海盗号的关键区别在于，海盗号正在寻找现存生命——当前存活或最近死亡的生物——的迹象，而我们正在做一些非常不同的事情，寻找古代生命，非常古老的生命，三到四十亿年前的生命迹象。

“毅力号”能做什么“好奇号”做不到的事情？它的新功能是什么？

我想说，“毅力号”和“好奇号”在硬件方面最大的区别就是我们的采样系统。“火星2020”（“毅力号”的最初名称）是选择和收集样本、将它们储存在火星表面，然后最终将它们带回地球进行地球实验室研究所需的一系列任务的第一步。

这叫做火星样本返回。这是一个存在已久的想法，我们现在才真正开始这个过程。正如你所说，我们拥有新的科学仪器，我们将使用这些仪器在我们的探索区域，即杰泽罗陨石坑（“毅力号”的火星着陆点）内部和周围，选择最有可能保存古代生命迹象的位置。我们还在研究行星演化：火星是如何形成和演化为一个行星系统的？它与地球作为一颗岩石行星所走的道路有何相似或不同？

我们希望用我们的仪器在表面解决这些问题，但我们也将使用取芯钻进行采样。这是两次任务的另一个重大区别。“好奇号”的钻头产生粉末，它将这些粉末带到火星车上的仪器内部，以便在火星上直接分析。我们的钻头则钻取大约粉笔大小的岩芯，将其密封在钛管中，然后放置在火星表面。最终，另一项任务将它们取回并送入轨道。然后第三项任务将它们抓住并送回地球，以便在地球实验室中进行所有后续的科学研究。

您将如何挑选出那些能让您说“哦，这是我们想在地球上仔细研究的东西”的特殊样本？

我们会非常具体地寻找单个样本的特定属性。我们也会采取更广阔的视角。其中一个主要的驱动因素是我们的兴趣在于构建一套多样化的样本，一套地质学上多样化的样本。科学团队为此花费了多年时间。其他科学家一直在使用从轨道获取的数据。根据着陆点周围轨道的图像和光谱，我们对该区域随时间演化的方式进行了地质解释。陨石坑是由一次巨大的撞击形成的，一条河流流入其中，使陨石坑充满了湖水。形成了一个三角洲，所以湖泊有一个古老的海岸线，有一个古老的湖泊最深处。它有所有这些微小的微环境。

我们希望最终也能探索杰泽罗以外的区域，即陨石坑边缘本身，以及撞击的历史。我们想了解杰泽罗以外、在陨石坑形成之前的岩石。这些岩石位于一个更大得多的陨石坑——伊西迪斯——的西缘，我们认为它可能只在火星历史的早期形成。我们想访问所有这些不同的岩石单元并收集样本，因为它们每个都包含着我们试图拼凑的这个宏大难题的重要部分，这个难题实际上是关于火星作为一个系统的历史。对我来说最令人兴奋的问题是，生命是否曾在火星上出现过，如果出现过，它有多广泛？

是否有特定的化学或结构特征能告诉您哪些岩石最有希望获得这些答案？

我们在单个样本中寻找的，尤其是在寻找古代生命迹象时，是类似生命的化学成分和类似生命的形状，特别是当它们同时出现时。我们将用我们遍布火星车上的摄像头观察形状。我们将用我们火星车上搭载的许多光谱仪观察成分。我们正在寻找岩石中类似生命的化学元素——无机矿物和有机物质，如果存在有机物质，可能是哪种类型。

“毅力号”仪器的重大技术进步是其能够进行我们所说的“空间分辨分析”。我们有测绘仪器，它们不是测量某个较大区域（比如立方厘米或立方英寸）的平均整体化学成分，而是像PIXL和SHERLOC仪器那样，扫描一个大约人类头发丝宽度（约100微米）的光束，从而获得化学成分图。

你们能看到火星化石吗？这有可能吗？

不能看到单个细胞，除非细胞非常大，我们不期望看到那样的东西。事实上，将样本带回地球的主要原因之一是我们可以使用光学显微镜和光谱学获得更高的空间分辨率，甚至达到纳米级分辨率。通过这样的空间分辨率，我们可以很好地区分单个化石细胞。地球上有很多这样的例子。地球上一些最古老的沉积岩中含有化石细菌。

我们在火星上用“毅力号”可以看到的是由单细胞生物形成的大尺度结构，比如微生物垫。我们绝对可以看到那个尺度上的东西。那些几乎是由那些小细胞形成的元形状。

不过，这些结构可能确实模棱两可。关于火星陨石“艾伦山84001”中类生命结构的争议，25年过去了仍未解决。

是的，没错。我们经常讨论艾伦山陨石。它引发了许多有趣的科学研究，在某种意义上，它确实促成了天体生物学领域的扩展。如果不是因为它，用于博士研究的资金很可能就不会存在。它启动了我刚刚描述的方法，即当它们同时出现时，寻找类似生命的形状和类似生命的成分。我认为有些人过分简化了陨石的历史[以及据报道的火星化石生命的主张]。如果你回顾一下细节，那篇论文还有更多内容。

我会透露我的年龄，让你知道我参加了1996年的那场新闻发布会。

真的吗？太棒了！

在缺乏成分信息的情况下，科学家在天体生物学领域对仅凭形状（作为过去生命的指标）进行解释仍然存在敏感性。人类是出色的模式识别者。我们总能看到不存在的东西。我现在正看着窗外，能看到云中的形状等等。所以我们必须警惕欺骗自己，但同时，如果我们完全关闭我们的视觉感官，说“不要相信你所看到的”，那么我们确实有错过大事的风险。这是我们面临“毅力号”最有趣的挑战之一：我们如何在火星上保持对有趣事物的开放态度，而又不至于过度欺骗自己？

那么，我们开始吧！古代生命真正有意义的矿物或结构遗迹会是什么样子？

地球上我们经常发现一些与古代生命迹象相关的矿物。碳酸盐是一个重要的例子。在地球上，贝壳是由碳酸盐矿物构成的。我们不期望在火星上找到形成贝壳的那种大型复杂动物，但即使是最古老的叠层石（与细菌相关的沉积结构）也是由后来部分硅化的碳酸盐矿物形成的。多孔的化石微生物垫含有碳酸盐矿物，一些含有溶解二氧化硅的流体流入其中。在某些情况下，二氧化硅沉淀出来，取代了叠层石中的一些物质，并使其以微晶和石英的形式保存下来，否则可能无法保存。

还有硫酸盐和硫化物矿物，即氧化和还原相的含硫矿物。一种看法是，你可以将其归结为你感兴趣的化学元素。天体生物学的核心清单是“CHNOPS元素”（碳、氢、氮、氧、磷和硫），我们关注所有含有这些元素的矿物。我们有碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐等等。还有许多其他。任何你能得到氧化还原偶联的情况，比如氧化还原化学将硫酸盐转化为硫化物，任何这样的化学反应都是微生物赖以生存的基础。

“毅力号”对行星地质学和天体生物学的关注度各占多少？这两个目标之间是否存在冲突？

嗯，地质年代学属于行星演化的范畴，了解火星内部的构成以及它如何随时间演变。但这些宏大而宽泛的问题对天体生物学也至关重要；所有这些过程都促成了和调节了行星的宜居性。行星上的非生命系统是如何演变和变化的，导致行星变得宜居，或者导致这种宜居性崩溃的？

话虽如此，最适合地质年代学的样本可能不适合保存生命迹象。这里存在着一种自然的动态张力。我从天体生物学角度思考的方式，正如我所说：所有这些都对生命迹象和理解它们的背景至关重要。这也都是宏大而美丽的科学。

请告诉我更多关于“毅力号”着陆点杰泽罗陨石坑的信息。为什么选择这个特殊地点？

嗯，它曾经非常明显地是一个陨石湖。有一条古老的河道从西北方向流入其中。不太明显的是，陨石坑的东北角有一个流出河道。然后有一个巨大而美丽的三角洲。如果你在一个像陨石坑一样的盆地内，在河流系统的末端发现一个三角洲，这说明这里曾经有一个静止的水体，与一个流动的水体相遇。在这种情况下，湖泊与河流相遇，河流能够携带所有夹带的沉积物，因为它有流动的能量。然后当它遇到静止的水时，能量下降，沉积物堆积成一大堆，就像密西西比河三角洲与墨西哥湾相遇的地方一样。

所以那是杰泽罗本身，但最初真正引导我们来到这里的是它周围更广阔的区域。这个陨石坑位于一个区域，不仅能接触到火星历史的早期阶段，还能接触到一个更年轻的阶段，那里有大瑟提斯火山区（巨大的火星火山爆发时）。杰泽罗位于杰泽罗东北部的伊西迪斯和大瑟提斯火山区西南之间。来自那座火山的物质会相互作用，火山活动对火星环境的影响会在杰泽罗周围的岩石中得到一定程度的记录。

是否有可能推断出杰泽罗陨石坑在多久以前曾是一个湖泊，以及那段湿润时期持续了多久？

我们目前对伊西迪斯撞击年龄的最佳估计是大约39亿年前，它必须早于杰泽罗撞击。然而，我们不确定杰泽罗的绝对年龄。估计范围从38亿年前到更年轻，但我们非常有信心它是在三到四十亿年前的时期。有趣的是，那是我们在地球上发现生命最初证据的时间。

“毅力号”还带了一架名为“机智号”的实验性直升机。它会帮助你们找到有趣的探索地点吗？

机智号有一个明确的任务，它计划在30个火星日内执行，进行五次复杂度递增的飞行。其任务是证明这种飞行技术可以在火星上运行。它对于未来能够着陆并成为科学探索主要组成部分的直升机来说，将具有非常强大的推动作用。我们都为这个团队加油，迫不及待地想看到由此产生的图像，但它不是我们科学任务规划的一部分。

是什么让杰泽罗陨石坑成为一个如此重要的地点，可以去那里勘探古代火星生命的证据？

杰泽罗提供了清晰的环境和次级环境，即古代陨石坑湖内的所有不同区域。我们可以非常自信地说，如果我们去那里，做好我们的工作，收集到一组经过充分特征描述的不同样本，并把它们带回来——如果我们在其中没有发现任何生命证据，那将告诉我们一些非常重要的事情。这是一个在火星历史早期明显宜居的环境。如果生命曾在火星上出现，那么它很可能已经在杰泽罗陨石坑这样的环境中留下了迹象。

这真是一个有力的声明！如果我们从杰泽罗陨石坑带回样本，却没有发现生命迹象，那该怎么办？下一步会是在火星上进行深层钻探任务吗？

是的，我认为深层钻探任务，或者更广泛地说，一项探索火星上今天是否仍然存在宜居环境的任务。根据我们所知，我们相信任何现代生命都必须局限于地下，也许是相当深的地下，所以可能需要深层钻探。

我对此的看法之一是，我们似乎正在走向人类探索火星的道路，也许在不远的将来。这让我非常兴奋。想象一下看到人类登上火星，然后这个人回来向地球人讲述她的经历，展示图像和一切……仅仅作为我们在那里的代表，并通过人类的眼睛直接看到这颗行星，这真的激励着我。

我们真的需要人类探索来回答火星上是否有生命这个问题吗？

人类探索火星与任何了解火星目前是否可能有人居住的努力之间存在许多联系和影响。首先，从行星保护的角度来看，这两项努力是相互关联的。火星2020团队花费了大量时间和精力构建了一个系统，以避免地球生物污染火星表面，目的是保护火星的原始环境，并保护我们寻找火星上现存生命证据的能力。当你带上人类时，要满足国际协议中严格的行星保护要求（防止污染）是非常困难的。

另一个非常有趣的联系是，我们的火星车上有一个名为MOXIE的仪器。它是一种被称为原位资源利用的实验，即进入一个环境并利用那里的东西对你的探索有用。在这种情况下，MOXIE将从火星二氧化碳中产生氧气。更广泛地说，如果你将人类降落在火星上，他们将能够使用那里的哪些资源？一个关键资源是水，因此降落在人类可能可以获取水的地方是他们非常重视的一个大问题。

那么，在某些方面，人类宇航员不会让寻找生命变得更困难吗？

嗯，你能找到水的地方就是你最有可能找到任何生命的地方，所以这是一个有趣的联系。我只是期待着看到这一切如何发展。现在，我们专注于机器人方面，既要保护火星免受地球生物的不当污染。至关重要的是，我们首次还致力于成为一个更大系统的一部分，以使未来的任务能够将我们收集的样本带回地球。我们必须安全地进行，以确保地球不受任何火星物质的污染，因此，装有这些样本的容器将在极其安全的环境中打开，并在所有伟大的科学研究在这些样本离开安全设施后发生之前，对其进行地球安全评估。

当火星样本返回地球时，你们将如何评估它们？你们是否有从“有点意思”到“火星生命强有力证据”的排名系统？

嗯，老实说，我没怎么这样想过！如果能找到一些令人难以置信的、如此激动人心的东西，让我们手舞足蹈地认为我们可能在火星上发现了生命证据，那将是极好的。但现在我的心思只专注于眼前的担忧，以及建立一个任务的战略结构，这样无论我们是否发现任何火星生命的证据，我们都将收集到一套绝对非凡的样本。这在心理上很有帮助，能让我们保持专注。这不是假设最坏的情况，它只是在说：“无论如何，我们都会从这些样本中学到很多东西。”

明白了。但是，您一定考虑过什么样的证据会让您兴奋得跳起来吧。

是的，我们正在密切关注我们在地球上探索前寒武纪岩石时所寻找的类型，那里的生命局限于叠层石之类的东西。我们正在寻找那种结构。我可以停下来设想一种情景，即我们发现了你在澳大利亚看到的那种东西，叫做米老鼠耳朵状叠层石。

不好意思，您说的是“米老鼠”吗？

典型的（非生物）叠层石是分层圆顶状的。当你看到它被侵蚀成一个平坦的水平面时，你会看到一堆同心圆。许多矿物就是这样沉淀的。但当有生命参与时，通常层会厚度不同，它们会收缩膨胀和起皱。分枝是我们随处可见的生命表现形式。你会看到两个圆顶从一个圆顶中生长出来，就像米老鼠头上的耳朵一样。这种形状的细节在没有生物学的情况下是极难解释的，甚至不可能解释。如果在火星岩石中发现这种东西，那将非常令人兴奋。

如果你在火星上看到了米老鼠矿物结构，下一步你将如何一次性地确凿生命存在的证据？

即使在（古代）地球上，你所发现的大部分也是模棱两可的。接下来你会查看成分，但你会发现成分也有一些复杂性；也许在交替的层中存在两种不同的化学成分。如果开始看到有机物质集中在某些层而不是其他层中，并且它们都以某种皱褶、分层、圆顶状结构组织起来，那将真正令人兴奋。这些是今天在地球上可以观察到的古代生命证据，它们是我们可以想象在火星上进行的最有力观测的最接近的类比。

我们找到大海捞针的机会，那是另一回事。这又回到了把样本带回家的重要性。地球上有些地方你可能会在这里看到米老鼠耳朵状的叠层石，但也许你永远看不到。但如果你取了一个靠近那个东西的样本，它里面就会有一些生命的（化学或微观）表达，尽管在野外你不会很明显地看到它。直到你把它带回实验室，进行一番仔细的样本准备，并通过一系列不同的分析技术，它才会显现出来。

这更像是我认为即使乐观也可能发生的情景。

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