（本文已刊載于《太空探索》雜志2009年第9期）
John Grotzinger 文 Shea 編譯
尋找水一直是火星探測(cè)的指導(dǎo)方針。但未來(lái)的火星探測(cè)將從水轉(zhuǎn)向?qū)鹦且司迎h(huán)境的詳細(xì)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(cè)的黃金時(shí)代。兩輛火星車(chē)和三個(gè)火星軌道飛行器正在不斷地分析火星過(guò)去以及目前的環(huán)境狀況。這些探測(cè)任務(wù)都汲取了過(guò)去火星探測(cè)計(jì)劃所取得的經(jīng)驗(yàn)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(gè)探測(cè)器都取得了令人印象深刻、有時(shí)甚至是令人驚嘆的結(jié)果。對(duì)于所有這些火星探測(cè)器而言，它們?cè)诨鹦翘綔y(cè)上所表現(xiàn)出的最顯著一點(diǎn)就是彼此在戰(zhàn)術(shù)以及戰(zhàn)略上的高度協(xié)同性。對(duì)不同探測(cè)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(kāi)始不斷改變著火星表面的多種環(huán)境過(guò)程。
這些協(xié)同作戰(zhàn)的探測(cè)任務(wù)給我們帶來(lái)了許多出人意料的結(jié)果?，F(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(guò)程改變過(guò)，進(jìn)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(méi)有早期的那么廣泛。
無(wú)疑，水在塑造火星表面的過(guò)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(dòng)的，但是它也使得所有的探測(cè)計(jì)劃都采取了跟著“水”走的策略。對(duì)于計(jì)劃于2011年發(fā)射的“好奇”號(hào)火星車(chē)（原名“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”）來(lái)說(shuō)，這一策略將被細(xì)化成搜尋火星上過(guò)去以及現(xiàn)在的宜居環(huán)境。
[圖片說(shuō)明]：火星車(chē)的比例模型。從左至右分別為火星探險(xiǎn)漫游者（“勇氣”號(hào)和“機(jī)遇”號(hào)孿生火星車(chē)）、火星探路者（中）和“好奇”號(hào)。版權(quán)：NASA/JPL。
宜居性
大致來(lái)說(shuō)，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(dòng)生命體的新陳代謝，并且提供所需的有關(guān)物質(zhì)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，“好奇”號(hào)是最佳的選擇。它會(huì)搜尋火星巖石、土壤以及大氣中的有機(jī)碳，測(cè)定巖石和土壤的礦物學(xué)差異，并且以從來(lái)沒(méi)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(yuǎn)處巖石和礦物的化學(xué)組成，尋找?guī)r石和土壤中的水，測(cè)量目前的環(huán)境變量，并且連續(xù)地監(jiān)測(cè)太陽(yáng)和宇宙的輻射。不過(guò)現(xiàn)在“好奇”號(hào)的最終著陸地點(diǎn)還沒(méi)有確定，但是候選地點(diǎn)已經(jīng)縮減到了4個(gè)：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(gè)地點(diǎn)都擁有古代水成過(guò)程的清晰證據(jù)。
對(duì)宜居環(huán)境的探測(cè)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(cè)復(fù)雜有機(jī)分子的能力，但是“好奇”號(hào)無(wú)法識(shí)別和現(xiàn)存火星微生物代謝有關(guān)的生物過(guò)程，也無(wú)法拍攝微生物或者微生物化石的照片?；鹦巧蠌?fù)雜的有機(jī)分子有可能來(lái)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(jī)分子中能把物理過(guò)程和生命跡象區(qū)分開(kāi)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(hào)將會(huì)探測(cè)分析特定的生命跡象，例如巖石中有機(jī)和無(wú)機(jī)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(huì)探測(cè)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(guò)去和現(xiàn)在有水存在的證據(jù)相比，對(duì)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(jī)碳即便形成的時(shí)候非常豐富也極難保存。有機(jī)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(huì)在氧化劑循環(huán)的過(guò)程中被破壞。
[圖片說(shuō)明]：火星探測(cè)器著陸地點(diǎn)分布圖。藍(lán)色圓圈代表已著陸地點(diǎn)，從左至右分別為“鳳凰”號(hào)、“海盜”1號(hào)、火星探路者、“機(jī)遇”號(hào)、“海盜”2號(hào)和“勇氣”號(hào)。黑色圓圈代表“好奇”號(hào)的候選著陸地點(diǎn)，從左至右分別為霍爾登環(huán)形山、埃伯斯沃爾德環(huán)形山、莫斯山谷和蓋爾環(huán)形山。版權(quán)：NASA/JPL。
如果火星上曾經(jīng)存在過(guò)微生物，那么火星古代巖石中應(yīng)該會(huì)保留有這些生命跡象。同樣的過(guò)程也發(fā)生在了地球上。長(zhǎng)久以來(lái)，研究地球早期地質(zhì)學(xué)紀(jì)錄的科學(xué)家就把注意力集中到了巖石身上，因?yàn)樗鼈兡茉谧畲蟮某潭壬媳４孢@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(huì)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(hào)對(duì)有機(jī)化合物的搜尋也因此變成了對(duì)有機(jī)物最佳保存地的搜尋。同時(shí)在地球上所獲得的經(jīng)驗(yàn)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(jī)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(shí)教會(huì)我們的一點(diǎn)是，即便在尋找早期生命跡象的過(guò)程中一無(wú)所獲也不必灰心。古生物生命跡象的缺失會(huì)以對(duì)早期環(huán)境演化歷史以及相關(guān)過(guò)程的了解作為補(bǔ)償。對(duì)前寒武紀(jì)沉積記錄的研究通常集中在對(duì)古生物的識(shí)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(zhǎng)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(gè)沒(méi)有生物圈的類地行星的表面環(huán)境歷史將是一個(gè)和地球歷史進(jìn)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(hào)在尋找火星生命跡象的同時(shí)也會(huì)探測(cè)火星早期的環(huán)境過(guò)程與歷史。
“好奇”號(hào)4個(gè)候選著陸地點(diǎn)各自有著與眾不同的地方，但是它們也有著兩個(gè)重要的共同點(diǎn)（詳見(jiàn)“火流星”網(wǎng)站之《為火星探測(cè)尋找最佳著陸地點(diǎn)》和《下一代火星車(chē)在哪著陸?》）。一是根據(jù)礦物學(xué)和/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(shū)寫(xiě)”在這些巖石里，作用在行星表明的過(guò)程會(huì)在沉積巖中留下蛛絲馬跡。在地球上的經(jīng)驗(yàn)表明，沉積物和沉積巖可以高分辨率地記錄下過(guò)去和現(xiàn)在的氣候、構(gòu)造以及生物學(xué)過(guò)程，并且提供在行星演化的過(guò)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?yàn)樗藦木植康饺蚝偷刭|(zhì)化學(xué)以及生物化學(xué)過(guò)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(huì)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(yàn)顯示沉積巖才是保存這些東西的最佳材料。
[圖片說(shuō)明]：由火星奧德賽探測(cè)器上的熱輻射成像系統(tǒng)在白天紅外波段下所拍攝的“好奇”號(hào)的候選著陸地點(diǎn)。從左至右分別為霍爾登環(huán)形山、埃伯斯沃爾德環(huán)形山、莫斯山谷和蓋爾環(huán)形山。它們是探測(cè)火星宜居環(huán)境的最理想地點(diǎn)。版權(quán)：NASA/JPL/THEMIS。
火星歷史
法國(guó)小說(shuō)家馬塞爾·普魯斯特（Marcel Proust）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(guò)去和現(xiàn)在的成像光譜儀以及高分辨率照相機(jī)，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(xì)的歷史則是更為重要而巨大的一步。
現(xiàn)在認(rèn)為，行星環(huán)境長(zhǎng)期演化的秘密就隱藏在礦物組合的歷史中。按照這個(gè)觀點(diǎn)，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(gè)觀點(diǎn)既具有創(chuàng)新性，又也許能解釋許多現(xiàn)象。如果這一演化模型是正確的，那么這兩種礦物會(huì)非?？拷?。這也正是“好奇”號(hào)的著陸地點(diǎn)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(gè)候選的著陸地點(diǎn)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(diǎn)都能為“好奇”號(hào)評(píng)估、發(fā)展我們對(duì)火星演化的認(rèn)識(shí)提供機(jī)會(huì)。
對(duì)宜居性的關(guān)注使得“好奇”號(hào)兼顧了希望和前景。希望指的是也許可以找到生物學(xué)過(guò)程留下的些許印跡。而前景則是“好奇”號(hào)將會(huì)為我們帶來(lái)有關(guān)火星早期環(huán)境演化的最新認(rèn)識(shí)。單這一項(xiàng)就是價(jià)值連城的。
[Nature Geoscience 2009年04月]
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