火星探測風(fēng)向標(biāo):從水到宜居環(huán)境

尋找水一直是火星探測的指導(dǎo)方針。但未來的火星探測將從水轉(zhuǎn)向?qū)鹦且司迎h(huán)境的詳細研究，期望能以此揭示出火星環(huán)境的歷史、甚至是有關(guān)地外生命的新發(fā)現(xiàn)。

現(xiàn)在我們正處于火星探測的黃金時代。兩輛火星車和三個火星軌道飛行器正在不斷地分析火星過去以及目前的環(huán)境狀況。這些探測任務(wù)部汲取了過去火星探測計劃所取得的經(jīng)驗和教訓(xùn)，且都在它們既定的服役期內(nèi)表現(xiàn)良好。每一個探測器都取得了令人印象深刻、有時甚至是令人驚嘆的結(jié)果。對于所有這些火星探測器而言，它們在火星探測上所表現(xiàn)出的最顯著一點就是彼此在戰(zhàn)術(shù)以及戰(zhàn)略上的高度協(xié)同性。對不同探測器所獲得數(shù)據(jù)的綜合分析使我們以前所未有的深度了解了從40億年前就開始不斷改變著火星表面的多種環(huán)境過程。

這些協(xié)同作戰(zhàn)的探測任務(wù)給我們帶來了許多出人意料的結(jié)果。現(xiàn)在我們知道，火星的表面已經(jīng)在水的作用下變得面目全非。一些非常古老的玄武巖地殼提供了在火星歷史上最早的20～30億年里有水存在的證據(jù)，這些地殼曾經(jīng)被有水參與的過程改變過，進而產(chǎn)生了多種不同的水成層狀硅酸鹽礦物。此外在一些地方還發(fā)現(xiàn)了沉積巖，在火星表面也發(fā)現(xiàn)了諸如沖擊三角洲這樣的地貌。在距離現(xiàn)在更近的火星歷史中也顯現(xiàn)出了有水存在的證據(jù)，但是這些水的分布沒有早期的那么廣泛。

無疑，水在塑造火星表面的過程中起了主導(dǎo)作用，盡管這一結(jié)論在科學(xué)上是令人激動的，但是它也使得所有的探測計劃都采取了跟著“水”走的策略。對于計劃于2011年發(fā)射的“好奇”號火星車(原名“火星科學(xué)實驗室”)來說，這一策略將被細化成搜尋火星上過去以及現(xiàn)在的宜居環(huán)境。

宜居性

大致來說，所謂宜居的環(huán)境并不單單指要有水的存在，還需要碳和能量。只有這樣才能驅(qū)動生命體的新陳代謝，并且提供所需的有關(guān)物質(zhì)。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，“好奇”號是最佳的選擇。它會搜尋火星巖石、土壤以及大氣中的有機碳，測定巖石和土壤的礦物學(xué)差異，并且以從來沒有的高分辨率拍攝火星地貌。它還可以在原地確定巖石和土壤的化學(xué)成分，或者是遙感遠處巖石和礦物的化學(xué)組成，尋找?guī)r石和土壤中的水，測量目前的環(huán)境變量，并且連續(xù)地監(jiān)測太陽和宇宙的輻射。不過現(xiàn)在“好奇”號的最終著陸地點還沒有確定，但是候選地點已經(jīng)縮減到了4個：埃伯斯沃爾德環(huán)形山(24°S，327°E)、霍爾登環(huán)形山(26°S，325°E)、莫斯山谷(24°N，341°E)和蓋爾環(huán)形山(5°S，137°E)，這4個地點都擁有古代水成過程的清晰證據(jù)。

對宜居環(huán)境的探測是重要的一步，而不僅僅是為了尋找火星生命。盡管具有在巖石和土壤中探測復(fù)雜有機分子的能力，但是“好奇”號無法識別和現(xiàn)存火星微生物代謝有關(guān)的生物過程，也無法拍攝微生物或者微生物化石的照片。火星上復(fù)雜的有機分子有可能來自生命體，但是也有可能是由含碳的隕石帶到火星上的。因此尋找這些有機分子中能把物理過程和生命跡象區(qū)分開的模式、結(jié)構(gòu)以及化學(xué)成分就顯得至關(guān)重要。“好奇”號將會探測分析特定的生命跡象，例如巖石中有機和無機碳的同位素成分、特殊元素和礦物的濃度以及特殊的巖石材質(zhì)等。最后它還會探測火星大氣中特定成分的濃度和同位素組成，例如最近在火星大氣中發(fā)現(xiàn)了甲烷，而甲烷有可能就是由生命體產(chǎn)生的。

與以往以尋找過去和現(xiàn)在有水存在的證據(jù)相比，對于火星宜居環(huán)境的探究更具有挑戰(zhàn)性，其主要原因是有機碳即便形成的時候非常豐富也極難保存。有機碳很容易就能被破壞，因此在含有各種氧化劑的火星表面環(huán)境下壽命很短。此外，即使生命跡象被包裹而形成了穩(wěn)定的礦物，它也會在氧化劑循環(huán)的過程中被破壞。

如果火星上曾經(jīng)存在過微生物，那么火星古代巖石中應(yīng)該會保留有這些生命跡象。同樣的過程也發(fā)生在地球上。長久以來，研究地球早期地質(zhì)學(xué)紀錄的科學(xué)家就把注意力集中到了巖石身上，因為它們能在最大的程度上保存這些生命跡象。但是，使得環(huán)境可以承載生命的一些條件，例如水、氧化劑、熱源、化學(xué)成分以及光照等，也會破壞這些生命跡象。因此鮮有能真正完好保存這些證據(jù)的環(huán)境。

“好奇”號對有機化合物的搜尋也因此變成了對有機物最佳保存地的搜尋。同時在地球上所獲得的經(jīng)驗也不能作為唯一的參考，火星很可能具有其特有的能保存有機化合物或者是其他生命跡象的古環(huán)境。

環(huán)境記錄

但是地球著實教會我們的一點是。即便在尋找早期生命跡象的過程中一無所獲也不必灰心。古生物生命跡象的缺失會以對早期環(huán)境演化歷史以及相關(guān)過程的了解作為補償。對前寒武紀沉積記錄的研究通常集中在對古生物的識別上，但是這些研究也揭示出了氧化狀態(tài)、酸堿性以及礦物在海洋和大氣中的長期變化。在火星上也許也能夠獲得同樣的有關(guān)環(huán)境演化的歷史。一個沒有生物圈的類地行星的表面環(huán)境歷史將是一個和地球歷史進行比較不可多得的樣本，這將幫助我們了解地球究竟有多特殊。記錄下火星環(huán)境歷史的巖石和礦物也可能保存有生物跡象。因此，“好奇”號在尋找火星生命跡象的同時也會探測火星早期的環(huán)境過程與歷史。

“好奇”號4個候選著陸地點各自有著與眾不同的地方，但是它們也有著兩個重要的共同點(詳見本刊2007年第9期《為火星探測尋找最佳著陸地點》和2008年第3期《下一代火星車在哪著陸?》)。一是根據(jù)礦物學(xué)，或者形態(tài)學(xué)特征這些地方曾經(jīng)有水存在，二是當(dāng)?shù)卮嬖趲装俚綆浊缀竦膶有虻貙樱@就意味著有沉積巖的存在。行星表面演化的歷史記錄大多就“書寫”在這些巖石里，作用在行星表明的過程會在沉積巖中留下蛛絲馬跡。在地球上的經(jīng)驗表明，沉積物和沉積巖可以高分辨率地記錄下過去和現(xiàn)在的氣候、構(gòu)造以及生物學(xué)過程，并且提供在行星演化的過程中所出現(xiàn)的重要事件的信息。而在水中沉淀而成的沉積巖則尤為重要，因為它包含了從局部到全球和地質(zhì)化學(xué)以及生物化學(xué)過程有關(guān)的元素與同位素變化的信息。盡管其他諸如火山地貌熱液礦床中的巖石也可能會擁有和宜居性有關(guān)的信息以及保存較好的生命跡象，但是在地球上的經(jīng)驗顯示沉積巖才是保存這些東西的最佳材料。

火星歷史

法國小說家馬塞爾·普魯斯特曾提醒我們，真正的發(fā)現(xiàn)之旅并不僅僅是尋找新的大陸，還需要有一雙新的眼睛。得益于過去和現(xiàn)在的成像光譜儀以及高分辨率照相機，我們已經(jīng)初步了解了火星表面環(huán)境的早期演化。接下去根據(jù)火星全球范圍的礦物和地貌得出其詳細的歷史則是更為重要而巨大的一步。

現(xiàn)在認為，行星環(huán)境長期演化的秘密就隱藏在礦物組合的歷史中。按照這個觀點，古代火星的地殼先是被中性液體改變并形成層狀硅酸鹽礦物，然后又在酸性液體的作用下形成了大量的硫酸鹽礦物，而硫酸鹽礦物極有可能就是在先期形成的硅酸鹽礦物的基礎(chǔ)上形成的。

這個觀點既具有創(chuàng)新性，也許還能解釋許多現(xiàn)象。如果這一演化模型是正確的，那么這兩種礦物會非常靠近。這也正是“好奇”號的著陸地點必須要能直接提供層狀硅酸鹽和硫酸鹽礦物組合的原因。所有四個候選的著陸地點都含有層狀硅酸鹽礦物，而蓋爾環(huán)形山則可能還擁有從層狀硅酸鹽轉(zhuǎn)變到硫酸鹽礦物的遺跡。然而，所有這些著陸地點都能為“好奇”號評估、發(fā)展我們對火星演化的認識提供機會。

對宜居性的關(guān)注使得“好奇”號兼顧了希望和前景。希望指的是也許可以找到生物學(xué)過程留下的些許印跡。而前景則是“好奇”號將會為我們帶來有關(guān)火星早期環(huán)境演化的最新認識。單這一項就是價值連城的。