互动科普

在南极洲发现的一块陨石，提供了火星上曾经有过与可能仍然有微生物的生命的有力证据。

在公众感兴趣的所有科学问题中，只有少数像火星上有无生命的问题那样长盛不衰。发明望远镜后不久便开始并持续了过去三个世纪的大部份时间，这一问题鼓舞人们进行了无数的研究，其中包括科学的与推测性的研究。但是它们全体所共有的则是这样一个事实：在我们的太阳系中，除地球外，如果还有一个行星有生命在那里栖居，几乎可以肯定那就是火星。 

对火星上的生命的兴趣往往与对这个神秘红色世界的新发现同时发生。在历史上，这些发现时常产生在两个行星间的一次周期性的紧紧靠近中。每15年火星都会到达距地球大约5600万公里的范围内(下一次靠近将发生在2003年夏季)。一般认为，火星上的生物就像人类那样有智能监且采用先进技术，如果不是更有智能与采用更先进的技术的话。(甚至难以说清楚的是，火星生物都被普遍描绘为绿色的与小型的。) 

在19世纪末的一次紧紧靠近后，意大利的天文学家Giovanni V. Schiaparelli宣布，他看到了一些巨大的线条从火星表面的这头伸到那头，他将其称为运河(canali)。在本世纪开始的时候，美国天文学家Percival Lowell坚持说，这些线条是高级文明所建造的运河。但是，在本世纪的60年代与70年代，美国与苏联将第一批空间探测器送到火星上后，有关线条与复杂文明的经久不消的理论都消逝了。轨道飞行器表明，那里实际上没有运河，虽然有长长的、巨大的峡谷。在十年内，着陆器没有发现生命的证据，更不用说智能生物与文明了。 

虽然关于智能生物的辩论基本上结束了，关于火星上微生物的生命——特别是可以存在于数十亿年前的较温暖与潮湿的火星上的生命的讨论——却刚刚开始。在1996年8月，当我们与在国家航空与航天局约翰逊空间中心和在斯坦福大学的一些同事宣布，在一块已经知道是来自火星的陨石中的异常特征可以最合理地被解释为古代火星微生物的生命证据时，这一问题成了公众注意的中心。1984年在南极洲发现了定名为ALH84001的一块陨石，它的重量为1.9千克，像马铃薯那样大。 

我们的理论并没有被普遍接受。一些研究人员坚持，对这块陨石的特性可以有非生物学的解释，监且这些理论比我们给予的生物学上的解释似乎更可取。我们仍然确信，在这篇文章中我们将要概述的事实与分析表明有生命的早期型式存在。而且就像一些研究人员所推理的，如果在火星表面下的岩石中的孔隙与裂缝含有液态的水，这样的生命型式仍可以存在于火星上。 

为什么研究人员甚至会关心几十亿年前在这个红色的行星上可能存在这样一种简单的生命形式呢?的确，生命在宇宙中的普遍存在是最深奥的科学问题之一。但是几乎没有过硬的资料能够被用来对这个问题进行推理。证实原始生命曾经在火星上繁衍，对于研究在哪些条件范围内一个行星可以产生生命由此演化的复杂化合物是极其有用的。此外，这些信息也能帮助我们了解地球上的生命的起源。归根结底，这种知识能够阐明各种假设一它们现在只不过是猜测——关于在宇宙中生命究意有多么普遍。 

不宜人的行星 

就像我们所知道的，今天在火星上的环境条件对于生命来说是不适宜的。该行星的大气由95%的二氧化碳，2.7%的氮，1.6%的氩与仅仅微量的氧和水蒸气组成。表面压力不到地球的1%，即使在夏天最暖和的地区，每天的温度也很少超过摄氏零度。最重要的是，生命的最基本的需要之一液态水，在火星的表面上似乎不存在。 

由于这些现实条件，在1976年7月与9月降落在火星表面的两个海盗号Viking)空间探测器，没有找到生命存在的任何证据也许就不会使人吃惊了。这些结果使人对火星上有生命的可能性产生怀疑，但是并不完全排除这种可能性。装有可以以十亿分之一敏感水平检测冇机化合物设备的着陆器在其表而或在几厘米深的土壤中都没有发现生命。三个其它的试验同样也没有发现有微生物的证据。研究人员最终得出结论:在火星上存在生命的可能性是微乎其微的，对这个问题的更明确的陈述必须等待对未来的着陆器取得的更多的样本进行分析后才能作出——并且希望从这个红色的行星上送回一些样本以便在地球上进行精细的研究。 

虽然着陆器在当今的火星上没有找到存在生命的证据，但是海盗号探测器从轨道上拍摄的照片以及以前由水手9号(Mariner 9)探测器所获得的图象都强烈地表明，几十亿年以前与也许近至几亿年前，大量的水曾经浸蚀过火星的表面[见Jeffrey S. Kargel与Robe G. Strom所著的“火星上的总体气候变化”;《科学》1997年第3期]。 

此外，在地球上发现的并且已知是来自火星的各种陨石——包括ALH84001本身——都提供了火星过去有水的明确证据，这是因为它们展示了曾经被水改变的明显迹象。特别是发现这些陨石中的一些含有碳酸盐、硫.酸盐、氢氧化物与粘土。据行星际科学家迄今所知，它们只有当水开始与岩石中的其它矿物质接触吋才能形成。 

当然，整个争论以ALH84001是否來这个红色行星而定。至少我们对此能够确信无疑。它是自本世纪七十年代中期以来在南极洲陨石很多的地区发现的陨石中的一个(见框内文字)。在80年代初期美国航空与航天局（NASA)约翰逊空问中心的Donald D. Bogard与Pratt Johnson开始研究一组发现在岩石中玻璃内含冇微小气泡的陨石。据认为这种玻璃是在当岩石处于火星表面吋与陨石或彗星碰撞形成的。一些产生玻璃的碰撞显然给予了岩石足够的能量将它的碎片抛进空间;地球的引力场从那里截获其中的一些岩石。这种碰撞惜况是行星际科学家们认为能够说明在我们的世界上有一点点火星的东西存在的唯一线索。

 Bogard与Johanson发现在一些陨石的玻墙中包封的极小的气体样品含有的化学成份与同位素成分正和海盗号着陆器于1976年测量过的火星大气中的气体一样。两种气体样品间一对一的相关关系——在9个数量级的范围内——强烈地表明：这些陨石來自火星。已证明总共5块陨石都含有包封的火星大气样品。ALH84001不是这样分析的5个样品中的一个;但是，它的氧同位素分布、矿物学与其他特征使它属于与其它5个火星岩石相同的组。

在一个陨石组内分布的氧同位素是证实岩石——包括ALH84001——来自火星的最有说服力的一个证据。在70年代初期，芝加哥大学的Robert N. Clayton及其同事证明了，在各种类型的陨石内的硅酸盐材料中的同位素氧16、氧17与氧18都有独特的、相对丰度。这一发现是有特殊意义的，因为它证实了我们的太阳系中的天体是从太阳星云中不同地区内形成的，因此有独特的氧同位素成份。Clayton用这种同位素“指纹”帮助证明包括ALH84001在内的一组12个陨石，确实是紧密相关的。包封的火星大气中的气体与氧同位素的特异性分布结合在一起导致研究人员得出结论:这些陨石必定来自火星。 

来自火星的侵入者 

其它分析，主要是对放射性同素的分析使研究人员能够勾画出ALH84001的历史，从它在这个红色的行星上的起源到现在。重要的三个关键时段是岩石的年龄(从它在火星上结晶出来到现在的时间长度)，陨石在空间运行的时间有多久与它停留在地球上的吋间有多久。根据对陨石中放射性同位素的三个不同的组的分析确定了这些时段。 

从熔融材料硬化成岩石以来的时间长度——所谓的材料的结晶年龄——是通过使用三种不同的测定年代的方法确定的；一种方法使用铷与锶的同位素，另一种方法使用钕与钐，第三种方法使用氩。所有三种方法表叨，岩石的年龄是45亿年。依地质学标准来看，岩石足极其老的;45亿年这个数字意味着它是在火星历史的第一个1%内结晶的。与之相比，已经分析的其它11个火星陨石的年龄都在13亿年与1.65亿年之间。值得注意的是，一块岩石这样老，并且在火里上或者它在南极洲的冰上存留期间的变化又如此之小，却还能供科学家们进行研究之用。 

陨石的空间漫游时间是通过分析另一些同位素，即氦3、氖21与氩38确定的。当一块陨石在空间中时，它被宇宙线与其它高能粒子所轰击。这些粒子与陨石中的某些原子的核相互作用，产生以上列举的三种同位素。通过研究这些在宇宙中产生的同位素的数量与生产速率，科学家们就能够确定这些陨石暴露到高能辐射通量的时间有多久，因此就能确定这种样品在空问的时间有多久。用这种方法,研究人员得出如下结论：ALH84001从火星下落在南极洲以前度过了1600万年。 

为了确定这块陨石在南极洲的冰中躺了多久，亚利桑那大学的A. J. Timothy Jull用碳14测定年代方法。当硅酸盐被暴露于太空中的宇宙线时，就产生了碳14。过一定时间之后，碳14的产生速率与衰变速率达到平衡，并且这块陨石则成为同位素饱和的。当陨石从太空下落、碳14的产生停止时，平衡就被破坏了。但是衰变继续进行，每5700年就使岩石中的碳14的数量减少一半。通过测定饱和水平与在硅酸盐中测得数量之差，研究人员就能够确定这块陨石在地球上的时间有多久。Jull的发现是：ALH84001是13000年前从太空落下的。 

就从它被发现的那个时刻起，现在被称为ALH84001的这块陨石就是异乎寻常的与令人感兴趣的。在1984年，美旧地质学家Robert Score发现了Allan Hills地区Far Western冰地的这块陨石。由于它呈淡绿灰色，Score认识到这块陨石非同一般。这个样品原来是由98%粗粒状的斜方辉石类[(Mg，Fe)SiO3]，即一种硅酸盐矿物组成。也有比较少量的含长石的玻璃，它也被称为陨玻长石(NaA1Si3O3)，橄榄石[(Mg，Fe)2SiO4]，亚铬酸盐(FeCrO4)与二硫化铁(FeS2)以及碳酸盐相与页硅酸盐。 

碳酸盐是关键 

ALH84001的最有兴趣的方面是碳酸盐，它以微小的平圆形物存在。象压扁的球，直径20至250微米。它们覆盖这块陨石中的裂缝的壁，并且以这样一种方式取向：它们是向着断口的壁压扁的（见图2）。这些小球显然是从被二氧化碳饱和的液体中沉积出来的，而二氧化碳则是在硅酸盐形成后通过断口渗透出来的。已知来自火星的它11块陨石中没有一块有这样的小球。 

在这些碳酸盐小球内我们研究小组发现了一些独有的特点，它导致我们假设微生物在遥远的过去同岩石接触过。基本上，在火星上的古代微生物的生命几乎完全是建立在小球周围的。 

从个别来看，我们发现的特征中没有一个有生命的征兆。但是，合起来看——尤其是在微小的平圆形物的范围内——这些小球似乎能够解释为古代微生物生命的遗迹。这些特征属于几种证据范畴。一种以微小的氧化铁与硫化铁颗粒为中心，它们类似于陆生细菌所形成的那些化合物。第二种则依有机碳分子在小球的内部与表面的存在而定。最后，在小球内发现的异常结构与地球上发现的细菌化石有惊人的类似性。另一个有关的证据表明，这些小球是由低于100℃的富于水分的液体形成的。 

美围航空与航天局约翰逊空间中心的研究人员与大英自然史博物馆的Monica Grady和英国开放大学的工作人员一道对碳酸盐小球中的碳与氧进行了首次的同位素分析。对碳的分析表明，这些小球比地球上发现的任何碳酸盐有更多的碳13，但正是来自火星的确切数量。 

地球上的大部分碳是由98.9%的碳12与1.1％的碳13组成的。但是各种反应能够改变这一比例。例如，通常作为有机化物系统巾的一部分的碳的样品——比方说，在植物成分——是略微更富于碳12，而在石灰石中的碳则更富于碳13。在ALH84001的小球中的碳比地球上的任何自然材料富于碳13。而且，它的碳13的浓度不同于其它11个火星陨石中的浓度。这一事实表明，在小球中的碳——不像在其它火星陨石中看到的碳的数量那样少——可能来源于火星的大气。 

对氧同位素在碳酸盐中分布的分析可以提供有关那些矿物质在哪种温度下形成的信息。这一信息直接与碳酸盐是否在可以维持微生物生命的温度下形成的问题有关，因为在大约115℃以上的温度下地球上的生物不能存活。NASA—U.K.研究小组分析了在碳酸盐小球巾的氧同位素。那些发现强有力地表明，这些小球是在低于100℃的温度下形成的。今年早些时候，威斯康星大学麦迪逊分校的John W. Valley用离子微探针技术来证实我们的发现。 

应该注意到，由凯思西方储备大学的Ralph P. Harvey领导的另一个研究小组用一根电子微探针分析了碳酸盐中矿物质的化学成分，并且得出结论：这些碳酸盐是在100℃下形成的。按照我们的观点，Harvey的发现和逐渐增多的表明这些小球是在比较低的温度下形成的证据相抵触。 

我们对这些碳酸盐的年龄极感兴趣，因为它会让我们估计微生物的生命何时将其印迹留在成为ALH84O01的岩石上，但是我们能够毫无疑问说的只是，碳酸盐是在岩石本身晶化后一些时间才在陨石的裂缝中晶化的。各个研究小组提出的年龄从13亿到36亿年不等；但是，迄今搜集列的数据不足以断然确定碳酸盐小球的年代。 

生物矿石线索 

第一种证据包括在碳酸盐小球内发现的某些矿物质：矿物质的类型与排列和地球上发现的某些矿石相比较，如果不是相同的话，也是类似的。小球内部富含菱镁矿(MgCO3)，菱铁矿(FeCO3)与少量碳酸钙和碳酸锰。一边长度为10至100毫微米的磁铁矿石(Fe3O4)与硫化物的细粒存在于碳酸盐基质内。磁铁矿晶体的形状是立方形的、泪珠状的或不规则的。个别晶体具有保存完好的结构，几乎没有庇点或微量的杂质。 

用高分辨率的透射电子显微镜结合能量分散光谱学方法对样品进行的分析表明，所有这些磁铁矿石的尺寸、纯度、形态与晶体结构都具有由地球上的细菌产生的磁铁矿石的特征。 

与化石细菌有关的地球上的磁铁矿石粒子被称为磁性化石。这些粒子是在各种各样的沉积物与土壤中发现的，并且根据大小被分为超顺磁性的(一边尺寸不到20毫微米)或单域的(20至100毫微米)。在ALH84001内的磁铁矿石在一个边缘上一般是40至60毫微米。 

单域磁铁矿石在古代地球上的石灰石中就曾经报导过，并且一般认为是由细菌产生的。在ALH84001中的最使人感兴趣的一些磁铁矿石呈链状排列，就像一串项链上的珍珠。地球上的细菌时常正是以这种方式产生磁铁矿石，因为它们用生物学方法从水中处理铁与氧时，它们产生使自己自然对准地球的磁场的晶体。 

有机碳分子 

在ALH84001巾有机碳分子的存在成了第二组线索。最近几年，研究人员不仅在火星陨石中，而且在已知来自几乎不能维持生命的行星际空间的小行星带的陨石中发现了有机分子。然而，在ALH8400中发现的特殊有机分子的类型与相对丰度表示有生命过程存在。在ALH84001内存在固有的有机分子是火星上存在这种分子的第一个证据。 

在地球上，当活着的生物死亡与腐朽时，它们就会产生与煤、泥炭和石汕有关的碳氢化合物。这些碳氢化合物中的许多属于一种称为多环芳烃(PAH)的有机分子。有成千上万种不同的PAH。它们在一个样品中的存在本身并不证明生物过程发生了。使它们的发现这样令人感兴趣的是PAH在碳酸盐小球中的位置与共生体。 

在ALH84001巾，PAH总是在其中包括这些小球的富于碳酸盐的区域中发现的。依我们看来，这种比较简单的PAH是有生命的生物体腐朽后的产物，而它们则是被一种液体所携带，并在这些小球形成时被截获的。在1996年，开放大学的一个科研小组证实了在ALH84001的小球内的碳具有同位素成份，它暗示有用甲烷作为食物来源的微生物存在。如果它被进一步证实了的话，这一发现将是迄今可以确定那块岩石带有生物活动印记的最强有力的一个证据。 

在我们的1996年声明中，斯坦福大学的Richard N．Zare与Simon J. Clemett用一种极其灵敏的分析方法证实，ALH84001含有数量比较少的不同的PAH，它们全部出现在微生物腐朽后的产物中。最重要的是，发现PAH位于该陨石内，在那里很不可能发生污染。这一关键性的发现支持如下想法：这些碳酸盐是火星上的，并且含有古代有生命的生物体的遗迹。 

PAH是汽车废气的一种成份，但在陨石、行星的尘埃粒子，甚至在星际空间中心发现了它们。很明显，对PAH在ALH84001中的分布的超敏感性分析表明，PAH不可能来自地球或除了火星外的其它星际来源。 

最看得见的有说服力的一个证据，即至少微生物的遗迹开始与岩石接触的证据，似乎是微生物的化石化的遗物本身这样的实物。用高分辨的扫描电子显微镜(SEM)详细的检查ALH84001碳酸盐后揭示它的异常特征，它们与地球上生物活动在样木中所产生的那些特征相似。SEM近视图表明，碳酸盐小球含有卵球形体与管状体(见第4图中的显微照片)。这些实物约380毫微米长，这意味着它们很可能是细菌的化石化的遗物。为了塞进一个典型的地球上的细菌活动通常所要求的所有成份，似乎就要求大于250毫微米的尺寸。另外在小球中发现的管状弯曲结构长500至700毫微米。 

小细菌或附属丝 

在ALH84001内发现的其它物体接近细菌的尺寸下限。这些卵形物仅仅长40至80毫微米；其它管形体长30至170毫微米，直径为20至40毫微米。这些尺寸仅为通常认为是细菌的地球微生物的十分之一。典型的细胞仍然时常有附属丝，这些附属丝一般很小——实际上就象在ALH84001内观察到的特征那样大小。可能有些是样品内大单位的碎片或部分。 

ALH84001的许多卵形物与组长的特征在尺寸和形态上基本上与地球上的所谓的小细菌相同。迄今很少对20至400毫微米范罔的小细菌和细菌进行研究。但是在从华盛顿州哥伦比亚河流域得到的地下武岩样品内发现的化石细菌[见《科学》]1997年1月号上James K．Fredrickson与Tullis所写的“地球深处的微生物”]具有基本上与在ALH84001的卵形物中观察到的一些相同特征。 

ALH84001在45亿年前就存在于火星上，当时该行星是比较潮湿暖和的，并且有较稠密的大气层。所以我们可以希望看到岩石与水接触后被改变的证据。但是岩石几乎不具有所谓的水成改变证据的痕迹。一个这样的证据是粘土矿物质，它n寸常是由水合反应产生的。这块陨石确实含有页硅酸盐粘土矿物质，只不过数量微乎其微。但是尚不清楚，这种粘土矿物质是在火星上还是在南极洲形成的。

 火星在它历史早期就在其表面上有液态水存在，并且可能在永久冻土或低温层下仍有一个活跃的地下水系统。如果在液态水覆盖火星的某些部分期间有地面微生物演变产生，当表面上的条件变得很恶劣时，这些微生物就可能扩展到地下环境中。火星的表面含有大量的玄武岩，它们在火星历史的第一个6亿年内的早期轰击期间，无疑破裂了。这些裂缝可能起到液态水的通道的作用，并且很可能隐匿任何适应火星上正在变化的条件的生物区系。这种情况与地球上的情况类似，在地球上，连续的熔岩流间的细裂缝似乎对含有活细菌的地下水的运动与蓄积起蓄水层的作用。

有机体也可能发生在火星上的温泉或地下热水系统中。在那里化学上的不平衡可以被保持略微类似于地球的海底上富于矿物质的“热泉”环境中。 

因此，如果在遥远的过去有有机体存在于火星上，完全有可能它们仍然存于那里。在地下水库的孔隙内水的可利用性将有助于它们的活。如果ALH84001内的碳酸盐早在36亿年前就形成了并且有生物来源，它们可能是最早的火星生物的残迹。

迄今对ALH84001的分析与该陨石含有古代微生物遗迹的碳酸盐小球是一致的。但是，对陨石的研究远没有结束。不管这些调查研究是否证实或修正了我们的假设，它们对于那些在未来的年代里可能得到机会将这些经验投入使用的研究者来说都将是宝贵的。我们希望在2005年将发起一次“样品-返回”太空飞行来遥控收集火星上的岩石和土壤，在两年半以后将其送回地球。为了从火星的表而上取样立仨送到地球上，这次革命性的飞行可以通过分解火星大气层巾的二氧化碳来产生氧气。 

通过如象送回样品这样的项目，我们最终将开始收集使我们能够断然确定火星上是否有生命形成的那种数据。这种理解本身又可以决定性地对最大的科学秘密之一捉供如下看法：在我们的宇宙中生命是普遍存在的。 

图2在这里（上左）示出了实际大小的火星岩石.它也被称为ALH84001。这块陨石主要由一种硅酸盐矿物质.即斜方辉石类组成。切割这块岩石。露出横截面（中左）。截截面中心的稍微靠右边的垂直裂缝可供液体通过它流动。并沉积碳酸盐矿物质小球。一块2毫米长的陨石薄片（下左)含有几个小球。它的直径约为200微米。在碳酸盐小球内和它的周围，称为多环芳烃的有机化合物的浓度是最高的。这一发现表明.流过裂缝的液体含有由正在形成的小球所截留的生物腐朽后的生成物。 

图3通过加热一块来自火星的陨石取出火星的水滴。美国航空与航空局的研究人员Haraldur R．Karlsson及其同事于1991年进行了这一提取工作。过去存在于火星表面的液态水是生命存在的必要条件。 

图4分段的物体(上在)的长度足380毫微米。是在陨石ALH84001的一个碳酸盐小球中发现的。这种微细结构类似于地球上发现的变成化石的细菌(微化石)。例如，右照片中右边垂直取向的物体被认为是一个微化石。长度也是380毫微米的达一物体是在地球表面(在华盛顿州)称为哥伦比亚河基板的地质构造中发现的。

图5地质学与气象学现象的结合使陨石聚积在南极洲山脉的底脚。着地以后，这些陨石就被埋藏在压紧的雪中，雪终则成为冰。冰层带着陨石向着陆地的边缘移动。如果一座山阻碍了这些陨石的水平移动．它们迟早就会在这座山的附近露出。其原因是风缓慢地但是连续地“消融”这些陨石上的冰，使冰变成气体。消融使深埋在表面下的冰露出来。于是就可在年龄超过10000年的蓝色的冰上找到陨石。 

图6在1979年5月海盗2号着陆器所拍摄的一张照片中，可能只有几微米厚的水霜覆盖着部分红色的、多岩石的火星土壤。这一图象被看作水在火星表面上存在的进一步的证据、虽然它是以固体形式存在的。 

在1969年，在南极洲大和山附近工作的一个日本冰川学家小组在一个已知年龄超过10000年的冰田中发现了8块陨石。这一发现因这些陨石包括4种不同的类型而著名。它表明，它们不可能全都作为同一块陨石的碎片同时落下。 

冰川学家没有花太久的时间就弄楚了冰流怎样捣实这些岩石。在南极洲的冰上着地的陨石被圳藏在压紧的雪中．这种雪叫做雪冰。它迟早会变成冰。这种冰最后成为“老”冰。它的颜色是浅蓝色的。 

冰块被重力推动。以一年大约2至3米的速率从南极洲大陆的比较高耸的内部向它的边缘(在)移动。如果如象一条山脉这样的障碍物阻碍了冰的流动。冰块就会向上推这个障碍物。冰——与它所包含的陨石——不可能有水平进展。在此期间，当风从它的上面吹过时．冰的表面层就被一个称为消融的进程所除掉。固态的冰直接转化为气体的消融一般使冰的厚度每年减少2至3厘米。当冰被除去时，在里面的陨石就在冰层的表面露出来。最后的结果是这些陨石不断在南极洲的山脉脚下积累并被发掘出来。由于消融使埋雪冰下的冰的表面暴露出来．这些陨石总是在古老的浅蓝色区域上发现的。这种不可思议的聚集进程的确没有在世界上别的地方发生过。只有南极洲具有这种移动冰川与山脉碍障碍的必要组合。 

过去28年来．科学研宄小组已经发现的陨石超过17000块。大量的陨石来自小行星带．但是在南极洲的所得物也包括来自月球的14个样本与来自火星的6个样本。 

因为它们是免费提供的．这些陨石被称为穷人的空间探测器。发现南极洲陨石储藏处以前。世界上收到的陨石数量仅仅为2000至2500个不同的样本。