火星陨石中发现生命新证据

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当你仰望星空,是否想过在浩瀚的宇宙中,或许还有其他星球也存在生物?人类未来有一天如果需要离开地球,是否有其他宜居的行星?数百年来,人类从未停止过对地外生命的探索,甚至已经找到了1100多个类似太阳系的行星系统。但是,最有可能、方案最可行的,应该是在火星上首先发现地外生命。
  宇宙大进军,火星大探测
  火星上有生命吗?如果表面上找不到生命的痕迹,那火星的深处呢?如果现在没有,那过去呢?生命的孕育和进化,需要一定的条件,火星拥有怎样的气候条件?
  以美国国家航空航天局(简称NASA)为主导的火星探测,发射了一系列的轨道探测器和火星车,其最重要的目标就是去了解火星过去的气候和环境,这也是探索火星生命的第一步。大量高分辨率的图片显示,火星的地形地貌与河流和湖泊的侵蚀特征很相似,火星表面还探测到一些很可能从水体中沉淀出来的特有矿物(如石膏和碳酸盐),以及跟水反应后形成的粘土矿物,利用雷达波还探测到了地下冰层的存在。所有这些都显示,火星表面应该有过河流、湖泊、甚至海洋,完全具备维持生命的基本条件。
  2004年欧空局发射的火星快车更是在火星大气中探测到天然气—甲烷,虽然含量极微(<30/100万),且甲烷也可以是在岩浆或热液中形成的,与生命活动无关,但这一发现仍然极大地鼓舞了人类探索火星生命的热情。
  2012年抵达火星的好奇号是迄今为止最复杂和最先进的火星车,已在火星上工作了2年多的时间,进一步确认了火星在历史上曾经是一个宜居的星球。2014年12月16日,NASA发布新闻,宣布好奇号在火星大气中探测到7/100万左右的极微量甲烷,并在火星土壤中首次检测到有机质。
  NASA计划在2020年发射新的火星车,将进行就位探测并收集样品。这些样品将储存在密封罐里放置于火星表面,有待今后发射的火星探测器将这些封装好的样品带回地球,继而在地球上的实验室做精确和微细的分析,期待能发现生命存在的直接证据。
  天外陨石落,信息巧捕捉
  除了发射一系列昂贵的火星探测器之外,要想了解火星还有没有其他途径呢?按照目前的计划,人类预计要到2030年才能从火星返回样品。但是,早在1815年人类就获得了火星的样品,即一块名叫沙西尼(Chassigny)的火星陨石。这块陨石于1815年被目击降落在法国名为沙西尼的地区,随后被当地居民收集到。此后,又有另外3块火星陨石降落后被收集到,其中最近的一次是1962年降落在尼日利亚的扎加米(Zagami)火星陨石。但是,当时人们并不知道这些陨石来自火星,因为火星很大,摆脱火星的引力场至少需要5千米/秒的速度。
  月球比火星小很多,其引力也比火星小,石块只要能达到2.4千米/秒的速度就能逃出月球。但是,之前一直没有发现有类似于阿波罗的月岩。这种情形一直维持到1982年,科学家终于确认1979年在南极发现的一块陨石是来自月球。这一发现表明,在理论上是可以通过小行星的撞击,从火星表面抛射出石块,并最终掉落在地球上。
  火星陨石携带的最关键证据,是其捕获的火星大气成分与1976年海盗号火星探测器所分析的火星大气成分完全相同。火星陨石中普遍存在由于小行星撞击所产生的高温熔融而形成的玻璃,这些玻璃中会包裹当时的火星大气成分。近年来,人类发射的火星车对火星表面石块进行的的分析,也与火星陨石的分析结果相一致,因此,这些陨石来自火星在陨石学界已被公认。提森特(Tissin)火星陨石于2011年7月降落在摩洛哥的沙漠中,并很快就被收集到。它是迄今为止最新鲜的火星岩石样品,因此具有极大的科学价值,特别是对于研究火星古环境和有机质而言,这是因为它最大限度避免了地球的污染和风化。
  火星陨石,编号GR 020090,由我国第十九次南极科考内陆队采自格罗夫山。表面为黑色熔壳,是陨石以十几千米/秒速度穿过大气层产生的高温熔融形成的玻璃,可以看出从下端向上的流纹。下端左侧可见熔壳脱落后露出的灰色内部岩石
  提森特火星陨石。该样品是一个大的碎块,露出的表面是陨石内部新鲜的岩石,其中黑色物质是玻璃,是该岩石仍在火星表面时,被小行星高速撞击后高温熔融形成。在这一过程中,火星大气会被包裹进这些玻璃,类似于地球上的玻璃陨石或又称“雷公墨”。因此,这些玻璃实际上保存了火星大气的样品。左侧黑色表面为残留的陨石熔壳
  如今不毛地,曾有地下川
  虽然主流观点认为火星表面有过水体,但那应该是大约30亿年前的情况。从那以后,火星的表面基本上处于一个寒冷、干旱的环境。火星表面的水,有相当一部分可能通过大气、然后是电离层、最后被太阳风吹走而丢失;另一部分可能以冻土和地下冰川的形式保存下来。
  我国第19次南极科考内陆队在格罗夫山发现了一块火星陨石。经过科学家的研究,这块火星陨石大约在2亿年前由岩浆冷却形成。我们利用国内唯一的一台纳米离子探针,对这块火星陨石进行了细致的分析,发现火星当时存在地下水活动,并且可能持续了25万年之久。
  纳米离子探针是细至50纳米的离子束,用它轰击样品的表面,使极其微小区域的样品发生电离,产生的离子通过一个磁场之后,由于这些离子的质量不同,偏转程度也不一样,继而被分开,然后用离子检测器统计各种离子的数量。我们用纳米离子探针来分析陨石样品中玻璃状包裹体内的水含量(即H的含量),发现从中央向边缘水的含量不断升高,这说明有液态的水从外部加入。另外,根据水在玻璃中迁移的速度,可以计算出这一过程持续了25万年之久。这项研究证明,火星的岩浆侵入,其热量会使冻土或地下冰川融化,形成地下水系统,并能持续相当长一段时间,从而为生命的存在提供必要的条件。
  虽然主流观点认为火星表面有过水体,但那应该是大约30亿年前的情况。从那以后,火星的表面基本上处于一个寒冷、干旱的环境。火星表面的水,有相当一部分可能通过大气、然后是电离层、最后被太阳风吹走而丢失;另一部分可能以冻土和地下冰川的形式保存下来。我国第19次南极科考内陆队在格罗夫山发现了一块火星陨石。经过科学家的研究,这块火星陨石大约在2亿年前由岩浆冷却形成。我们利用国内唯一的一台纳米离子探针,对这块火星陨石进行了细致的分析,发现火星当时存在地下水活动,并且可能持续了25万年之久。
  纳米离子探针是细至50纳米的离子束,用它轰击样品的表面,使极其微小区域的样品发生电离,产生的离子通过一个磁场之后,由于这些离子的质量不同,偏转程度也不一样,继而被分开,然后用离子检测器统计各种离子的数量。我们用纳米离子探针来分析陨石样品中玻璃状包裹体内的水含量(即H的含量),发现从中央向边缘水的含量不断升高,这说明有液态的水从外部加入。另外,根据水在玻璃中迁移的速度,可以计算出这一过程持续了25万年之久。这项研究证明,火星的岩浆侵入,其热量会使冻土或地下冰川融化,形成地下水系统,并能持续相当长一段时间,从而为生命的存在提供必要的条件。
  有机碳颗粒,生命新证据
  利用电子显微镜,我们在提森特火星陨石中发现了仅有几个微米大小的碳颗粒。第一个随之而来的问题是,这些碳颗粒是无机的石墨,还是有机碳?为了确定这一点,我们利用激光拉曼光谱仪对这些碳颗粒进行分析,将光束直径1微米大小的单色激光照射在样品表面,然后分析产生的散射光颇率,其结果与化合物分子的振动有关,是鉴定化合物的有效手段。分析结果表明,这些碳颗粒不是石墨,而是一种不溶于水和有机溶剂的大分子有机物,学名为干酪根,跟煤相似。
  火星有机质的发现,是件令人振奋、令人期待的事情。但紧接着第二个重要问题是,这些有机质真的是来自火星吗?会不会是该陨石落到地球上后受到了污染?让人欣慰的是,提森特火星陨石非常新鲜,因此污染的可能性很小,但这还不够令人信服。我们有两个关键的证据,可以证明这些有机质确实来自火星。首先,这些有机碳颗粒中有一部分是被包裹在小行星撞击熔融产生的玻璃中,说明这些有机质碳颗粒的形成早于这一撞击事件,因此,它们显然是来自火星;其次,我们用纳米离子探针分析了这些有机碳颗粒的氢同位素组成。氢有2个稳定同位素,即氢(只有1个质子)和氘(1个质子和1个中子)。分析的数据显示,这些有机碳颗粒具有高的氘/氢比值,完全不同于地球物质,这也是火星来源的重要证据。
  中国科学院地质与地球物理研究所引进的国内唯一纳米离子探针大型分析设备。在这个平台上我们开发了很多分析方法,可以对小至1微米(千分之一毫米)的样品测定其年龄、分析化学元素组成,以及各种元素的同位素组成。火星陨石有机碳的全部成分分析就是在这台仪器上完成的
  生物成因有依据
  虽然地球上绝大部分有机质是生命活动的产物,但火星上的有机质有三种可能的成因。
  一种观点认为,岩浆活动或热水溶液中能够形成有机质,如一些甲烷气体(天然气的主要成分)。美国有科学家团队也在包括提森特在内的多块火星陨石中发现了有机碳,但他们将这些有机碳解释为岩浆成因,因而与生命没有任何关系。他们得出这一结论的依据是,这些有机碳是出现在岩浆包裹体中,是随岩浆从深部被带上来的。实际上,他们基于光学显微镜的这种观察很可能是不正确的,这些有机碳颗粒与岩浆包裹体实际上并无联系。在我们发现的有机碳颗粒中,除了一部分被包裹在冲击玻璃中以外,另一些主要充填在一些微裂隙中,是从含有有机质的流体中沉淀下来,因此可以排除岩浆成因这种可能性。
  第二种可能性是这些有机碳是外来的。同月球表面布满陨石坑一样,火星表面也遭受了小行星的撞击,因此会有这些小行星的物质加入,其中也包括了含有机质可达百分之几的碳质球粒陨石。这些碳质球粒陨石中的大部分有机碳也是干酪根,跟我们发现的有机碳颗粒十分相似。但是,一方面火星土壤中外来加入的小行星物质量极少,另一方面这些有机碳是不可溶的,如何将其提取出来、然后迁移并沉淀在岩石的微裂隙中?这显然是一件难以做到的事情,虽然不能完全排除这种成因,但我们认为可能性很小。
  第三种可能性是生物成因。生物活动形成的不溶有机质能够以胶体的形式存在,然后随流体沉淀在岩石裂隙中。更为重要的是,生物活动会产生大的碳同位素分馏,并且我们的分析数据显示,这种有机质轻的碳同位素,其碳同位素的比值较标准样品轻12.8/1000~33.1/1000。地球上的有机碳相对于海相碳酸盐、空气中的二氧化碳、地球深部碳等均以富轻的碳同位素为特征。我们利用纳米离子探针分析了提森特火星陨石中有机质的碳同位素组成,发现有类似于地球上同类物质(沉积物有机质、石油、煤)的碳同位素组成特征,这也是目前支持这些有机质生物成因的最有利证据。
  火星陨石中有机碳的电子显微镜照片。(a)呈细脉状充填在微裂隙中;(b)为a图的局部放大照片;(c)陨石样品切片的局部照片,中间是由于小行星撞击产生高温熔融而形成的熔脉。箭头所指处为包裹在其中的有机碳颗粒;(d) c图虚线框中的局部放大,反时钟旋转了90度;(e) d图虚线框中的放大图
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