“好奇號(hào)”火星車在這顆紅色星球上發(fā)現(xiàn)迄今最大型有機(jī)分子

盡管這些分子的存在并不能證明火星上曾存在遠(yuǎn)古生命，但科學(xué)家表示，這表明我們有可能探測(cè)到火星過去生命的化學(xué)跡象——如果它真的存在過的話。

這是美國(guó)國(guó)家航空航天局“好奇號(hào)”火星車于2013年5月19日，在其火星任務(wù)的第279個(gè)火星日（Sol），在一塊被命名為“坎伯蘭”的巖石目標(biāo)上鉆出的孔洞。（圖片來源：NASA/JPL-Caltech/MSSS）

科學(xué)家近日宣布，他們?cè)诨鹦巧习l(fā)現(xiàn)了迄今為止最大型的有機(jī)分子。

這些分子可能源自37億年前存在的脂肪酸的分解作用，這些脂肪酸在被火星上的古湖沉積形成的沉積物所封存前就已開始分解。盡管這些分子本身并不能直接證明火星過去曾有生命存在，但科學(xué)家表示，這類發(fā)現(xiàn)本身就表明相關(guān)證據(jù)是可能被探測(cè)到的。

法國(guó)基揚(yáng)古爾大氣與空間觀測(cè)實(shí)驗(yàn)室的天體化學(xué)家卡洛琳·弗雷西內(nèi)在一份聲明中提到：“我們的研究證明，即便在今天，通過分析火星樣本，我們?nèi)杂锌赡軝z測(cè)到火星上遠(yuǎn)古生命的化學(xué)跡象——如果它真的存在過。”

這些分子被稱作烷烴，一種由碳原子鏈與其上連接的氫原子結(jié)合組成的碳?xì)浠衔铩Ｋ鼈兪?013年，“好奇號(hào)”火星車在火星蓋爾隕石坑的黃刀灣區(qū)域，對(duì)一塊昵稱為“坎伯蘭”的頁(yè)巖樣本鉆取分析時(shí)發(fā)現(xiàn)的。

“好奇號(hào)”于2012年降落在直徑96英里（約154公里）的蓋爾隕石坑中。這個(gè)隕石坑曾被古湖淹沒，因此成為尋找火星過往宜居跡象的理想地點(diǎn)，而黃刀灣正位于這片古湖的湖底。“坎伯蘭”巖石由該湖泊沉積下來的富含黏土的沉積物構(gòu)成。

“有證據(jù)表明，蓋爾隕石坑中曾存在液態(tài)水達(dá)數(shù)百萬年，甚至可能更久，這意味著在火星這些隕石坑—湖泊環(huán)境中，生命起源所需的化學(xué)過程有充足的時(shí)間得以發(fā)生。”美國(guó)航空航天局戈達(dá)德航天飛行中心的丹尼爾·格拉文在公布這一發(fā)現(xiàn)的聲明中表示。

“好奇號(hào)”使用其機(jī)械臂上的“火星手持透鏡成像儀”在鉆孔當(dāng)天拍攝了坎伯蘭巖石孔洞的圖像。該孔直徑約0.6英寸（1.5厘米），深度約2.6英寸（6.6厘米）。

這些有機(jī)分子是通過“好奇號(hào)”上的“火星樣本分析儀”（Sample Analysis on Mars, SAM）儀器組發(fā)現(xiàn)的。利用這套儀器，“好奇號(hào)”鉆取巖石樣本并將其送入SAM內(nèi)部，在其中加熱至1800華氏度（1000攝氏度），使樣品釋放出氣體，之后通過專門的傳感器（本次使用的是氣相色譜儀與質(zhì)譜儀[1]）進(jìn)行分離和分析，以識(shí)別生命所必需的元素——碳、氮、氧、磷和硫。另有一個(gè)單獨(dú)的激光光譜儀會(huì)分析這些氣體，尋找水以及甲烷等較小有機(jī)分子的蹤跡。

弗雷西內(nèi)與格拉文曾共同領(lǐng)導(dǎo)了對(duì)坎伯蘭樣本中有機(jī)分子的早期研究，當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了甲烷以及含氯或含硫的有機(jī)物。但在此次研究之前，火星上發(fā)現(xiàn)的最大有機(jī)分子碳鏈長(zhǎng)度僅為六個(gè)碳原子。

因此，弗雷西內(nèi)與格拉文對(duì)火星樣本分析儀的實(shí)驗(yàn)程序進(jìn)行了修改，以尋找更大的有機(jī)分子。他們的團(tuán)隊(duì)尤其試圖尋找氨基酸。雖然并沒有找到氨基酸，但他們確實(shí)發(fā)現(xiàn)了迄今在火星上檢測(cè)到的最大烷烴分子，包括了癸烷（10個(gè)碳原子、22個(gè)氫原子）、十一烷（11個(gè)碳原子、24個(gè)氫原子）和十二烷（12個(gè)碳原子、26個(gè)氫原子）。盡管十二烷是目前在火星發(fā)現(xiàn)的最大烷烴，但與地球上的最大烷烴相比還是相形見絀——后者可含有超過150個(gè)碳原子。

圖示左側(cè)為長(zhǎng)鏈有機(jī)分子：癸烷、十一烷和十二烷——它們是迄今在火星上發(fā)現(xiàn)的最大有機(jī)分子；右側(cè)則是美國(guó)國(guó)家航空航天局“好奇號(hào)”拍攝的一張自拍照。（圖片來源：NASA/Dan Gallagher）

這些火星上的大分子烷烴可能具有地球化學(xué)[2]來源，即與火星生命無關(guān)——但弗雷西內(nèi)和格拉文的團(tuán)隊(duì)開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明它們也可能來源于37億年前被封存于富黏土沉積物中的脂肪酸的分解產(chǎn)物。

生命體會(huì)將脂肪酸嵌入細(xì)胞膜中，并利用它們調(diào)節(jié)各種細(xì)胞和器官的功能。然而，脂肪酸同樣可以通過地球化學(xué)過程生成，所以推測(cè)37億年前火星上存在脂肪酸并不能直接證明有生命存在。不過非生物來源的脂肪酸通常碳鏈長(zhǎng)度不會(huì)超過12個(gè)碳原子。更耐人尋味的是這個(gè)時(shí)間點(diǎn)——約在37億年前，這正是地球生命萌芽并穩(wěn)定下來的時(shí)期。那么，生命是否有可能在兩個(gè)星球上同時(shí)演化？

目前這一切仍屬推測(cè)。雖然發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)鏈烷烴并不能成為火星上存在生命的確鑿證據(jù)，但它們可能是重要線索。

但是，“好奇號(hào)”上的火星樣本分析儀無法探測(cè)到碳鏈長(zhǎng)度超過十二烷的有機(jī)分子，這意味著未來關(guān)于火星生命的研究可能需要依賴地球?qū)嶒?yàn)室來繼續(xù)推進(jìn)。

“我們已經(jīng)準(zhǔn)備好邁出接下來的一大步，把火星樣本帶回地球?qū)嶒?yàn)室，去解決關(guān)于火星生命的爭(zhēng)議。”美國(guó)航空航天局負(fù)責(zé)樣本采回的首席科學(xué)家格拉文這樣說。但它還取決于何時(shí)能夠執(zhí)行一個(gè)具體的發(fā)射行動(dòng)，來回收由“好奇號(hào)”的姊妹探測(cè)器“毅力號(hào)”貯存的樣本。美國(guó)航空航天局近日在回收任務(wù)的設(shè)計(jì)與資金方面遇到困難，已向私營(yíng)企業(yè)尋求協(xié)助。

這項(xiàng)研究成果于2025年3月24日發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

[1]氣相色譜是一種分離科學(xué)技術(shù)，用于分離樣品混合物中的化學(xué)成分，然后對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，以確定其存在與否和/或含量多少。氣相色譜儀是一種用于分離復(fù)雜混合物中各個(gè)組分的儀器，適合分析可以汽化的有機(jī)物質(zhì)。質(zhì)譜是一種測(cè)量帶電粒子質(zhì)荷比(m/z)的分析技術(shù)，因此可用于確定分子量和元素組成，以及闡明分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)。質(zhì)譜儀是一種測(cè)量分子質(zhì)量和組成的儀器，用于識(shí)別化學(xué)物質(zhì)。氣相色譜不能單獨(dú)用于未知化合物的鑒定，這正是與質(zhì)譜聯(lián)用非常有效的地方。質(zhì)譜儀可用作唯一的檢測(cè)器，也可在質(zhì)譜儀和氣相色譜儀檢測(cè)器之間分配色譜柱流出物。

[2]地球化學(xué)（Geochemistry）是研究地球（或其他行星）上的化學(xué)元素及其分布、遷移和反應(yīng)規(guī)律的科學(xué)，它是地質(zhì)學(xué)與化學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生和發(fā)展起來的交叉學(xué)科。自20世紀(jì)70年代中期以來，地球化學(xué)和地質(zhì)學(xué)、地球物理學(xué)已成為固體地球科學(xué)的三大支柱。它的研究范圍也從地球擴(kuò)展到月球和太陽(yáng)系的其他天體。地球化學(xué)的理論和方法，對(duì)礦產(chǎn)的尋找、評(píng)價(jià)和開發(fā)，農(nóng)業(yè)發(fā)展和環(huán)境科學(xué)等有重要意義。

BY:Keith Cooper

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