几十年来，科学家们一直在寻找火星上的有机物质，自从在“维京号”任务期间积极测试这颗红色星球的土壤以来。此后，探测器、望远镜和着陆器一直在追踪线索——大气甲烷含量飙升，以及古代岩石中的有机物迹象——孜孜不倦地追寻地球上占主导地位的有机分子是否也存在于我们邻近行星的答案。
今天发表在《科学》杂志上的两项研究提出了令人兴奋的新发现：在35亿年前的岩石中发现了有机物质，以及火星大气中甲烷的季节性变化。
首先，**这两项发现均不意味着我们在火星上发现了生命，无论是有过还是现在。**这是一个大胆的说法，需要更多的数据和证据来证实。但这些发现确实让那些正在研究火星上是否曾有过生命的研究人员看到了希望，他们有一天可能会找到答案。
这两项研究都使用了“火星样本分析”（Sample Analysis at Mars，简称SAM）仪器套件。NASA喷气推进实验室的科学家、甲烷论文的首席作者克里斯·韦伯斯特（Chris Webster）将其描述为“无疑是送往地球以外最复杂的化学实验室”。它能够处理气体和岩石样本，使研究人员能够拼凑出更多关于火星过去和现在的存在情况。以下是他们的发现。
有机物质
“有机物就是碳基的，”莱斯大学的行星地质学家、未参与这两项研究的科尔斯滕·西巴赫（Kirsten Siebach）说。“单独的碳并不能告诉我们它的来源——它可能来自陨石带来的无机物，也可能来自火星上的火山。然而，它是生命形成和生长的关键要素。”
研究人员使用SAM仪器加热了从35亿年前的湖床采集的钻探岩石碎屑。
“我们把这些粉末放进烤箱里加热，”论文作者之一的唐·萨姆纳（Dawn Sumner）说，她将其比作走进一个有人在烘焙的厨房。“假设别人把饼干放进了烤箱。我能闻出巧克力曲奇的味道，这和烤鸡肉或玉米卷的味道不一样。同样，你可以闻到烤箱里散发出的有机化合物的味道，从而更多地了解烤箱里的东西。”
当然，火星岩石的成分比巧克力曲奇的成分更难识别。这些化合物散发出的气味更难辨认，尤其是因为它们不像单一、易于识别的化合物那样显示出来。
“想象一下，你有一个巨大的分子，所有的碎片都通过化学键粘合在一起。当你加热样本时，大分子的一部分碎片会脱落，这些气体会被输送到仪器中，”NASA喷气推进实验室的科学家、有机物质论文的首席作者詹妮弗·伊根布罗德（Jennifer Eigenbrode）解释说。“仪器看到的就是样本中更大东西的碎片。”
伊根布罗德和她的同事们仍然不确定那个更大的有机分子或分子是什么。他们还在试图弄清楚它是如何在30多亿年里保存得如此完好的。
有机分子通常不易长期保存，当它们遇到水、辐射或极端高温高压时，它们往往会分解。然而，火星虽然受到大量辐射的轰击，但不像地球那样湿漉漉的，而且与我们活跃的地球不同，它的岩石不会被板块构造不断搅动和循环——这使得这些有机物，无论是什么，都有更好的生存机会。
伊根布罗德和她的团队费尽心思确保他们看到的是真正的有机物质。
“大约一年前，我第一次预感到我们真的有所发现，然后我就想‘如果数据告诉我们我们认为的，那我们必须确保’，”伊根布罗德说。她一遍又一遍地重复实验，确保她的结果是可重复的。
“我做了三次，”她笑着说。“因为这是一个非常重大的发现，而且涉及大量的数据处理，因为我们检查了许多不同的样本。我最终意识到它的存在的那一刻，是令人敬畏的一刻。我们从1976年就开始寻找这种有机物质了。”
同样，这并不意味着这是35亿年前微生物的化石遗迹。它可能是古代微生物的食物，也可能根本没有微生物。这些分子可能完全是由大气或地质过程形成的，比如火山活动或陨石撞击。
然而，“好奇号”团队明确识别出有机物质这一事实仍然很重要，即使这并非生命的证据。
“如果有生命，通常很难找到，但我们现在知道条件适合生命保存。我们可以带着新的活力去寻找具体的证据，”西巴赫说。
甲烷
当伊根布罗德和她的团队忙于研究“好奇号”车轮下方的岩石时，另一支团队正在忙于解决一个更困扰的问题，这与SUV大小的火星车周围的空气有关，特别是其中的一种气体。
“甲烷是最简单的有机分子，在地球上，它主要被认为是来自地球表面生命的生物气，”NASA戈达德太空飞行中心的や研究科学家、该论文的作者梅丽莎·特雷纳（Melissa Trainer）说。“火星上检测到了可变的甲烷，但十多年来我们一直无法理解它。在多个任务中，甲烷的出现、消失和行为是我们一直无法理解的。”
早期对火星甲烷的观测来自夏威夷的地基望远镜，它们测量了那些羽状物。然后，一个名为“火星快车”的轨道器进行了长时间测量，逐渐估算了火星上甲烷的丰度。但直到“好奇号”通过空中吊车着陆，韦伯斯特及其同事们才能够获得火星上首次就地测量甲烷的数据。
“我们已经能够观察到多年来火星上的甲烷变化，这是前所未有的，”特雷纳说。他们发现，大气中的甲烷会随季节变化很大，在北半球夏末达到峰值，然后下降。大气中甲烷的季节性变化范围在每十亿分之一的0.24到0.65之间。
“好奇号”位于盖尔撞击坑，靠近火星赤道。但即使在那里，火星车也能很好地监测火星上的季节性变化。“就我们对季节的体验而言，我们有点像夏威夷，”韦伯斯特说。“我们在当地没有强烈的季节性影响，但即使在当地，温度变化也相当显著，从夏天到冬天可能有30摄氏度的变化。所以地表温度和气温变化相当大。”
此外，火星的大气混合很容易，一个地区的变化会影响其他地区。除了监测甲烷，SAM仪器还监测了其他更容易理解的气体的存在，包括氮气、氩气和二氧化碳。氮气和氩气在火星上也会随季节变化，当两极经历冬季时，它们会被推挤。此时，大气中的二氧化碳会冻结，落到极冠上。“大气质量多达三分之一会冻结。如果这发生在地球上，我们会非常注意，”特雷纳说。“当这种情况发生时，大气中的其他气体就会随着二氧化碳一起被挤压。”
随着二氧化碳的冻结和升华，氩气和氮气的浓度增加，但甲烷的行为却截然不同。虽然它在大气中含量很少，但其增加和减少的幅度与观察到的二氧化碳变化不符。
“好奇号”在五个地球年的时间内探测到的甲烷量，不足以仅由陨石（该行星的潜在气体来源之一）提供。研究人员还排除了甲烷读数可能来自火星车自身活动的可能性。大气中甲烷含量的季节性变化，虽然与地球标准相比很小，但对研究人员来说足够显著，让他们感到惊讶。
研究小组认为，甲烷可能来自行星地下某个储层，通过裂缝和通风口泄漏出来。他们不确定这个储层（或储层）在哪里，以及它们可能采取什么形式。在地球上，大量的甲烷储存在包合物中——冰的笼子，将甲烷等气体锁在里面。火星上可能也存在类似的沉积物。但迄今为止，在火星上从未观测到过包合物，这使得它们仍停留在可能性的范畴。
耐心和好奇心
虽然这两项研究对公众来说是新闻，但研究人员多年前就开始收集数据了。伊根布罗德将等待过程描述为“带着束缚的期待”，韦伯斯特也有类似的经历。
“我们的惊喜不得不被拉长到五年。我会看到夏天的点数上升，然后我们真的不得不等待两个地球年，才能回到那个火星的夏天，看看那个点数是否又回升了——它们确实回升了。这需要极大的耐心，”韦伯斯特说。
两组人都计划继续使用“好奇号”进行分析，但他们也在期待其他结果。
“令人兴奋的是，在火星上，仅仅用一辆车在表面行驶，就能找到那种保存完好的有机物质，”西巴赫说。“这确实表明，如果我们曾经存在过生命，我们找到古代生命证据的机会就大得多。”
由于一个机械故障阻碍了火星车钻探能力，“好奇号”在分析岩石样本方面经历了一段低迷期。今年早些时候，NASA成功地恢复了钻探功能，这让西巴赫等研究人员期待从盖尔撞击坑内其他区域收集和分析更多样本，这些区域比本研究中研究的岩石估计要年轻一百万年。
下一个火星探测器任务——“火星2020”——也将采集岩石样本。但它不会在现场分析所有样本，而是收集样本，打算将它们送回地球上的科学家手中。该机器人将把一些样本装入一个特殊的容器，在最终返回地球上更先进的实验室的旅途中保护它们。“如果我们能带回任何像我们在样本中发现的那样的东西，在地球上，我们就能更详细地分析它，而不必加热那么多，并有望找到关于这些有机分子是什么样的任何证据，”西巴赫说。
韦伯斯特热衷于观察当火星车遇到一大团甲烷时会发生什么，这团甲烷可能含有足够的物质供团队检查气体中的碳同位素比。这可以告诉他们它是否可能具有生物学起源。
他还期待看到欧洲空间局的痕量气体轨道器（Trace Gas Orbiter）的结果，该轨道器目前正绕火星运行。“他们将能够绘制出全球甲烷地图，这将是向前迈出的巨大一步，”韦伯斯特说。“特别是，如果他们看到羽状物或成片的甲烷，并且这些甲烷往往与火星的特定区域有关——特定的地形、悬崖面或峡谷，或特定的矿物表面——那将是另一个非常重要的下一步。寻找局部且可重复的来源将有助于指导未来的任务，因为我们将前往那个地方并对其进行彻底的测量。”
