光谱技术有望揭示火星生命之谜

2021 年 2 月 18 日下午，Andrew Czaja 一家聚精会神地站在起居室，观看美国宇航局（NASA）的火星探测器 “毅力号”（Perseverance）的报道。“毅力号”计划于美国东部时间下午 3 点 44 分于火星着陆，但由于无线电信号传输大约有11 分钟的延时，电视机前的观众无法第一时间获知探测器着陆情况。所以，越是接近着陆的时间，Czaja 越是如坐针毡，紧张不已。终于，美国东部时间下午 3 点 55 分，喜讯传来，“毅力号”成功降落在火星表面！

这个激动人心的时刻，对 Czaja 博士而言，更意味着他的重要使命正式拉开序幕。Andrew Czaja 是辛辛那提大学地质系副教授，其主要研究方向是前寒武纪古生物学、天体生物学和生物地球化学。地球上生命的起源和进化也是他的重点研究课题。“毅力号”火星探测器此行的重要任务便是探寻火星古微生物的遗迹。作为“毅力号”科研团队的一员，Czaja 博士的工作是帮助团队决定哪些岩石需要采集并送回地球进行深入研究。这不是一件容易的事情。因为采样管数量有限，也不能将已经收集的样本倒掉放入新的样本，所以样本的选择是一项长期而艰巨的任务。

好在可以借光谱技术一臂之力，帮助 Czaja 博士做出决策。

毅力号搭载了多种光学光谱分析仪器，包括 X 射线岩石化学行星仪（PIXL）、紫外拉曼光谱仪（SHERLOC）以及被称为 SuperCam 的超强激光岩石蒸发仪。在着陆后的头几个月里，毅力号有条不紊地检查自己的系统，移动装有成像设备和光谱仪的机械臂，启动仪器以确保其功能正常运行，并开始从附近的岩石收集样本并发回数据。

PIXL 是一个带有高分辨率镜头的 X 射线荧光（XRF）光谱仪，它安装在“毅力号”的机械臂上，用于确定火星表面物质的元素组成。相比普通的元素分析，PIXL 能够提供更详细的化学元素检测和分析。

而 SHERLOC 紫外拉曼光谱仪，据 NASA 称，它能通过相机、光谱仪和激光来搜索被水环境改变的有机物和矿物质，这些有机物和矿物质可能是古老微生物的生命迹象。这台拉曼光谱仪也可以分析紫外可见和近红外光谱，迄今为止它已经生成了大量数据。

SHERLOC 和 PIXL 都必须与岩石接触才能进行光谱测量分析，SuperCam 则能从大约 7 米远的地方就开始进行光谱测量，从而揭示岩石成分。

正是这些精密的光学光谱测量分析仪器，让科学团队们在火星上就能开展光谱学研究，进而判断哪些岩石样本值得带回地球做进一步分析研究，为揭示火星生命可能性向前迈进了一大步！

毅力号降落在杰泽罗陨石坑（Jezero）附近，这是一个古老的河流三角洲发源地，科学家们认为探索陨石坑的历史，对研究火星生命体意义非凡。

“之前从火星轨道上观测，我们可以看到火星表面存在不同类型的岩石，但很难确定哪块岩石更古老。现在我们来到火星表面，可以开始真正了解它的更多细节。” Czaj 博士说。“我们看到陨石坑底部的岩石有一些是圆形的，而另一些则是扁平的，看起来已被风化和侵蚀，这相当有趣。”研究团队目前还不清楚这些岩石的来龙去脉，也无法确定它们是否曾经移动过。但得益于科学仪器收集到的光谱或化学信息，Czaja 和他的团队现在可以开始对岩石的形成方式提出假设。

不仅是陨石坑底部，陨石坑的边缘也是探索火星生命的潜力地区。因为在地球上，当碳酸盐沉积在湖泊边缘时，通常意味着生命的存在，这个规律同样可能适用在火星上。Czaja 博士的团队希望“毅力号”能在陨石坑边缘收集到 “细颗粒沉积物”样本，因为这是寻找有机碳的好地方，也可能帮助科学家们了解到更多关于星球进化的信息。

前文提到，通过光谱测量分析设备传输的各种信息，Czaja 博士得以探查到岩石中是否存在生物标志物，即有机碳。他还将检查岩石的纹理，以确定这些特征是由微生物还是微生物材料造成的。这些都将帮助科学家确定火星上是否曾经存在过生命。Czaja 博士使用 HORIBA T64000 拉曼光谱仪系统来寻找微小细菌的痕量证据，如充满矿物质的化石遗骸，或暗示着生命残骸的细菌细胞壁上的化学碳标记物。Czaja 博士把化石薄切片放在拉曼光谱仪的显微镜下，光谱仪将向他如实提供各类测试样品的光谱信息。若被测物质由有机碳构成，就能证明该物质曾经拥有生命。

“如果我们找到生命在火星起源并进化的证据，那将会从根本上改变我们对生命的认识，” Czaja 博士表示。“这证明了生命能够在地球以外的行星存在。尽管，这颗行星与地球相似，但这毕竟是一颗不同的星球。这一发现将帮助人类认识到，生命不一定必须在某些特殊的、只存在于地球的环境中才能诞生，在其他行星或天体上也有可能存在生命！

另一个问题是，如果我们发现火星上曾经存在生命，但与我们在地球上发现的形式完全不同，我们该如何应对？ Czaja 博士说，这种可能性不仅存在，甚至还指向了另一个问题：人类应如何在其他天体上寻找生命。

“如果它与地球上的生命完全不同，按照目前的标准，我们很可能会错过，因为它并不是我们寻找的目标（即有机碳）。据我们所知，地球上所有的生命都有一个共同的祖先，并且具备相同的生物化学结构和特性。它，就是碳，是作为生命基础的理想分子。

碳具有很多其他元素没有的特性，这些特性对生命的形成与延续至关重要。碳也是一种很常见的元素。鉴于地球上的生命几乎大概率都由碳构成，因此当我们寻找生命时，我们往往会倾向去寻找碳，或者有机碳。

当然我们也意识到，尽管碳很有可能是地球生命所必需的元素，但没人敢保证所有的生命形式都一定存在碳。所以如果我们转而尝试寻找非碳基的生命，这意味着人类已经拓宽了对生命的认知。如果生命并非由唯一的相同元素构成，那么也许宇宙中其实存在着无数的生命形式，只是我们暂时还不知道如何去探测它。

而这种不确定性，正是寻找星际生命的迷人之处。

回到当前，科学家们认为还是先以搜寻有机碳的存在为第一要务。当火星岩石样本最终返回地球时，Czaja 计划使用拉曼光谱仪进行与陆地样本相同的分析，他计划为古代岩石中存在的生命建立一个档案。同时他也会参与X 射线光谱、紫外拉曼光谱及荧光光谱的数据分析。“拉曼、荧光成像，包括光谱信息都将为我们提供火星岩石的特写细节。”他说。由于样本返回地球可能需要花费十几年的时间，Czaja博士甚至不确定届时他是否还在做研究。如果他没有，他希望他的学生有机会继续这项研究。