火星探测

火星土壤的秘密

Shea — Wed, 02 Jul 2008 05:44:42 -0700

Corinna Wu　文 Shea 译
30年来科学家们一直坚信火星的土壤中不存在有机分子。美国宇航局的“凤凰”号探测器能推翻这个结论吗？

　　1976年夏天，人类的触角第一次触及到了另一颗行星的土壤。两个“海盗”号探测器从它们着陆的地点挖掘了土壤样本，并将这些样本倒入了从地球带来的分析设备中。在这些分析仪器中技术最先进的也许就是气相色谱-质谱联用分析仪（GC-MS）了，它被设计用来探测火星土壤中是否存在有机化合物的证据。在运转了几个月之后，它们什么也没有发现。自此“海盗”号由于其几乎毫无异议地证明了火星是一个不毛之地而被载入了史册，而其中气相色谱-质谱联用分析仪的探测数据起到了至关重要的作用。

　　2007年8月4日，另一架质谱仪随着“凤凰”号探测器一起奔赴了火星。如果一切顺利，2008年5月28日它会从1200千米的高度降落到火星北极。从着陆地点就可以猜到，“凤凰”号实际上是1999年12月失踪的“火星极地着陆者”的姐妹探测器，而且它还是美国宇航局（NASA）一系列低成本 “侦察”计划中的第一个探测器。尽管“凤凰”号之于“海盗”号就像是别克轿车之于劳斯莱斯豪华轿车，但是一些化学家却几乎可以肯定，即使设备更精良“海盗”号没有发现有机分子，然而“凤凰”号将会在靠近火星地表的地方发现存在有机化合物的证据。如果确实如此，它将燃起一些科学家的希望，他们坚信在这个寒冷、饱经辐射而且极度不适合生存的星球的某个地方可能蕴藏着过去或者现在生命的证据。

　　每个“海盗”号探测器都进行了一套三组实验来探测火星尘土以及着陆点周围岩石中的微生物。它们得到的结果是不确定的。当土壤中存在水和营养物质的时候，火星土壤会释放出意料之外的气体，其中一些会与生物活动有关。不过气相色谱-质谱联用分析仪的数据是清楚无疑的。

　　气相色谱-质谱联用分析仪是一种专门用来探测有机分子混合物中不同成分的仪器。首先样本会穿过一个细长的管道——色谱仪。其中，小分子运动得快，大分子运动得慢。因此管道中的化合物会以大小排序，然后它们会通过质谱仪，在那里整个分子或者分子碎片的质量会得到测定。

　　美国麻省理工学院（MIT）的化学教授克劳斯·比曼（Klaus Biemann）领导着气相色谱-质谱联用分析仪小组，同时他也是研发这些仪器的先驱。比曼不是一个空间科学家，他的工作主要集中在测定蛋白质片段的结构上，为现今的“蛋白质组学”打下了基础。他为“海盗”号仪器工作主要是出于“科学道义”，他回忆说，“我说，如果要做，那么就把它做好。”事实也是如此。

[图片说明]：1975年“海盗”号着陆前一天，克劳斯·比曼和“海盗”号上的GC-MS复制品。

　　当时，比曼实验室中的气相色谱-质谱联用分析仪有一个房间那么大，用来分析加热火星土壤所释放出的化合物的仪器就有30厘米见方。后来，比曼的小组建造了一台符合火星探测尺寸和能源要求的全自动气相色谱-质谱联用分析仪，而且它的灵敏度依然达到了十亿分之一的量级。使用化学方法研究天体生物学问题的、美国应用分子演化基金会的史蒂文·伯纳（Steven Benner）说：“把这两台机器送到1亿公里远的地方并且让它们正常工作本身就可堪称是一个工程上的奇迹。”

有机球赛

　　当“海盗”号抵达火星后，比曼的小组期望能发现用于分析的有机化合物。火星布满环形山表面表明它曾经遭受了陨石的轰击，而到20世纪60年代时人们已经在一些陨石中发现了有机化合物的痕迹。因此，即使火星本身无法制造任何有机物，但是也应该能找到它们的踪迹。“你应该深处有机化合物的海洋之中，”伯纳说。确实，按照伯纳的说法，一些“海盗”号的研发人员担心气相色谱-质谱联用分析仪会淹没在大量的有机物中。

　　但是，从被加热的火星土壤中散发出来的只有水和二氧化碳，它们或者是被土壤中的粒子捕获的，或者就是由无机物释放出来的。尽管实验中确实发现了些有机化合物，但是这些化合物是在地球上用来清洁仪器用的，而且在探测器飞往火星的过程中气相色谱-质谱联用分析仪在太空中做检测的时候已经探测到了这些有机物。

　　由于没有找到存在有机分子的证据，因此生命探测实验给出的结果也变得毫无实际意义。“这就像一场球赛，”当时“海盗”号的项目科学家杰瑞·索芬（Jerry Soffen）说，“火星上没有有机物就不会有生命。”随后对样本中观测的结果的解释是化学而不是生物学作用。由于紫外线的照射会使得火星土壤富含氧化剂，例如过氧化氢以及一些罕见的化合物，例如二氧化三碳。科学家们提出多种途径可以在有这些物质参与的反应中生成在生命探测实验中探测到的结果。当时只有一个科学家吉尔·莱文（Gil Levin）认为生物学过程才是对实验结果的最好解释。

　　然而，2000年已在美国佛罗里达大学工作的伯纳提出，火星可能确实含有一些有机物，只不过“海盗”号没有探测到而已。他认为，有机物可能是以苯六酸的形式存在的，当组成陨石中有机物的碳没有被完全氧化时就会形成苯六酸。“在火星这样一个氧化环境中它可以稳定的存在，因此你应该会发现它，”伯纳说， “它非常稳定不会进一步氧化而且难熔，而无法溶解在其他任何物质中。当你加热它时，它不会释放任何的挥发物。因此‘海盗’号可能身处这些物质的海洋当中而没有发现它。”伯纳的研究估计，在30亿年的过程中火星表面每平方米会产生2千克的苯六酸。伯纳说，不幸的是，需要很高的温度才能破坏苯六酸，而其分解之后的主要产物苯却恰恰正是用来清洗仪器所用的溶剂之一。如果“海盗”号能把采集来的样本加热到600℃而不是500℃的话，它们也许就能从中发现这些与众不同的物质的踪迹。但是当时加热不到600℃。

　　2006年10月，一个包括墨西哥核科学研究所下属国家自治大学化学家拉法艾尔·纳法罗-冈萨雷斯（Rafael Navarro-González）和NASA艾姆斯研究中心行星科学家克里斯托弗·麦克凯（Christopher McKay）在内的科学家小组报告，“海盗”号可能无法在火星土壤中发现某些类型的有机化合物。

　　在2004年“机遇”号火星车发现了黄钾铁矾（一种形成与水中的铁硫酸盐水合物）之后，纳法罗-冈萨雷斯受此鼓舞重新研究了“海盗”号对有机分子的检测。在研究了西班牙里奥廷托（Rio Tinto）地区含黄钾铁矾的土壤之后，他发现使用化学方法提取这些有机物相对较为容易——而使用加热方法却很困难。“当我重复‘海盗’号实验的时候，” 他说，“我惊讶地发现尽管存在大量的有机物，但是在沉积物中却没有探测到有机分子。这十分奇怪。”

　　与此独立地，麦克凯在智利的阿塔卡马（Atacama）沙漠中进行着土壤研究，并且也开始怀疑“海盗”号的结果并不全面。美国加州大学伯克利分校的研究生艾莉森·斯佳丽（Alison Skelley）曾请麦克凯审阅一篇关于使用她研发的装置探测土壤中氨基酸的论文。麦克凯发现论文中显著地指出“和高温分解法相比使用化学萃取的方法可以释放出多1000倍的氨基酸”——而“海盗”号使用的正是高温分解方法。麦克凯说：“1个月之内，拉法艾尔就告诉了我他关于黄钾铁矾的疑虑。当时我建议，我们应该搞清楚这一效应是不是普遍存在的。”

　　除了雷奥提托地区的沉积物和阿塔卡玛沙漠的样本之外，它们检测了来自其他类似火星环境的不毛之地——南极干旱河谷和利比亚沙漠——的土壤样本。化学萃取方法发现了少量的有机化合物。例如在来自南极的样本中，每克土壤中含有20-90微克的碳。但是把样本加热到500℃也无法产生在他们商用的气相色谱- 质谱联用分析仪上可探测的有机挥发物。只有把温度升高到750℃时，才开始在超过半数的样本中发现了有机物的信号。而750℃是“海盗”号无法达到的。

[图片说明]：不同的地点：智利的阿塔卡马沙漠（左图）和火星表面有着许多相同的特征。

升温的争论

　　纳法罗-冈萨雷斯和麦克凯认为，在“海盗”号实验的加热过程中，由于火星土壤中铁化合物的催化作用，释放出的有机物在进入气相色谱-质谱联用分析仪之前就变成了二氧化碳。“我们认为‘海盗’号发现的一部分二氧化碳可能就来自于氧化的有机物，”纳法罗-冈萨雷斯说，“即使这仅仅是其中微小的一部分，但这也意味着火星表面的有机物含量也会比我们预期的高1000倍。”

　　比曼否认对此有些心神不宁，他说他是在他的女儿看到《华尔街日报》上的报道之后才知道纳法罗-冈萨雷斯的文章最终发表了。他感觉，在文章中被感谢暗示他赞同这篇文章的第二个版本，但是他却从没有看过这个版本。因此在一份措辞强烈的批评中，比曼指出纳法罗-冈萨雷斯和麦克凯所采用的实验装置的灵敏度只有 “海盗”号的1/1000。“因此他们说在500℃没有发现任何有机物而在750℃发现了并不能说明任何问题，”他说。他接着说，如果他们仪器能具有和精心调教的“海盗”号气相色谱-质谱联用分析仪相似的灵敏度的话，那么在500℃的情况下也能轻松探测到有机分子。

　　比曼认为，一种“错位”的在火星上寻找生命的热情驱使着包括纳法罗-冈萨雷斯小组在内的科学家们去试图证明“海盗”号气相色谱-质谱联用分析仪的结果是错的。他说，他们想“清除这一障碍”。从个人角度出发，麦克凯表示他感觉这是由于误解他们论文论点所造成的结果，“如果我有机会重写我们的论文，我会强调气相色谱-质谱联用分析仪的运转是完美无瑕的。问题出在高温分解有机物上。”他说，关于“海盗”号结果的争论目前仅仅局限在气相色谱-质谱联用分析仪上，而高温分解法则被忽略了。

　　即使接受我们小组的分析结果，即火星土壤中可能含有一些有机物质，“但很显然它们的含量是微小的，”麦克凯说，“当我们说有机物含量高达百万分之一，你也需要注意到它实际的含量也可能为零。”他说，重要的是在未来的探测计划中考虑我们的结果。

　　确实，负责NASA“凤凰”号仪器的科学家们已经注意到了这一点。“凤凰”号的主要目标是探测火星土壤中冰和矿物的特性，但是它也具备探测有机物的能力。最初为“火星极地着陆者”设计的热与逸出气体分析仪（TEGA）可以以恒定地速度加热土壤样本，测量升温率的变化由此可以探测相变——当物质熔化或蒸发时会吸收热量而不改变温度。但是“凤凰”号的TEGA与“火星极地着陆者”上的不同，还装有一个小型的质谱仪，它将用来探测被加热到1000℃的土壤样本的成分。这一温度是“海盗”号的加热器所能达到的两倍，而且足以分解绝大多数的难熔化合物。

　　“如果我们没有发现有机化合物，那么我们至少可以肯定这不是由于这些物质的难熔性质造成的，”TEGA首席科学家、美国亚利桑那大学的威廉·波顿（William Boynton）说，“它同时也意味着这一特殊的环境不适合保护有机分子免遭破坏。”

[图片说明]：“凤凰”号奔赴火星。

继续寻找生命

　　伯纳或多或少地相信“凤凰”号的加热装置会发现苯六酸以及有关的盐——这是伯纳的第三次机会。他原先希望在“勇气”号和“机遇”号火星车上搭载拉曼光谱仪来探测有机化合物，但是由于时间太紧而被迫取消。而欧洲空间局的“猎兔犬”2号本来也应该探测火星土壤中的有机物，并且还专门设计了一个巧妙的装置可以从岩石下面采集样本，因为那里由于紫外线造成的氧化作用会弱一些。但是当它离开母船“火星快车”之后，就与地面失去了联系。

　　如果TEGA确实在高温下探测到了有机物，那么这些有机物来自陨石的可能性要比源于火星的大得多。但是它们的存在依然可以说明火星的土壤并不像“海盗”号之后一致认为的那样具有极强的氧化性，这也许为在火星的某个地方还存在着原生的有机物提供了希望。伯纳指出，如果火星上的冰——其存在性已经被 NASA火星“奥德赛”探测器上的γ射线分光仪所证实——是由涌出的地下水凝结而成的话，那么冰中可能就含有来自地下水储地的有机物，这些有机物来自具有氧化性的火星土壤层之下，而且会在随后的冰冻中得以保存。如果探测到这些有机物，并不能证明“海盗”号的结果就是错的——它只能说明火星不同地区的不同环境对于承载同一种有机分子的能力不同。

　　现在纳法罗-冈萨雷斯和麦克凯都在为NASA计划于2009年发射的“火星科学实验室”上的“火星样本分析系统”（SAM）工作。“火星样本分析系统”将是自“海盗”号以来第一个装有气相色谱-质谱联用分析仪的系统（“凤凰”号上没有装载气相色谱仪），同时它还搭载了一台激光分光仪，而且它将同时采用化学萃取和高温分解这两种方法，以此来进行对比并使它们互补。

　　从更长期的角度来讲，一些科学家们想知道是否存在可靠的方法来区分所发现的有机物是不是生命的产物，但是他们意识到这不是一个简单的问题。在地球上根据碳的不同同位素的含量可以区分有机物是否来自生命体，“凤凰”号和“火星样本分析系统”也将采用这一方法。

　　但是科学家们并不认为可以简单地直接解释从火星上测得的结果，因为非生物学过程也能产生同位素。计划于2013年发射的欧洲空间局的火星探测器上将携带一台专门用来测量所发现有机物“手征性”的仪器。在地球上，生命体中只有“左旋”的氨基酸和“右旋”的糖。如果火星样本也具有同样的性质，那将是存在生命形式的有力证据。不过如果有机分子已经存在了上百万年的时间，那么它们就会自发地重新随机排列，因此会与由非生物学过程产生的分子无法区分。

　　但是在此之前必须先找到火星上存在有机分子的证据。如果“凤凰”号没有遭受和其孪生姐妹同样的厄运并且最终发回了数据，那么它至少会把先前的争论向前推进一步。“目前更重要的是把目光放在未来的计划上，而不是沉溺于有关‘海盗’号的争吵上，”麦克凯说，“如果我们能从‘凤凰’号和‘火星样本分析系统’ 获得探测结果，那么人们又能找到争论的新论据。”同时，伯纳也把目光聚焦在了在他看来是必将到来的惊喜上，他说：“这种感觉每一次都历久如新。”

[Nature 2007年年8月16日]

“凤凰”涅磐

Shea — Wed, 02 Jul 2008 05:38:28 -0700

Richard A. Kerr　文 Shea 译
北京时间2008年5月26日上午7时53分成功着陆在火星的北极，它将第一次真正意义上分析火星上的水，并且探测土壤是否能承载生命……

　　20世纪90年代末，行星科学陷入了有史以来的最低谷。首先，1998年12月11日环火星气候探测器（MCO）在进入火星大气层时烧毁，原因是工程师搞混了火箭推进器的公制单位和英制单位。接着在不到一个月的时间里，火星极地着陆者（MPL）一头撞入了火星大气层，通过降落伞缓缓下降，最后使用火箭来软着陆。但在这之后地面再也没有收到它的任何信号，其原因目前仍然是个谜。

　　现在轮到了“凤凰”号。“凤凰”号探测器首席科学家、美国亚利桑那大学的彼得·史密斯（Peter Smith）说，这个价值4.2亿美元的探测器是30年来第一个在火星上成功软着陆的探测器，它将探索“火星上最后一片适合生命存在的土地”。正如它的名字所暗示的，“凤凰”将从火星极地着陆者的灰烬中涅磐。

　　“凤凰”号的团队从MPL和第二次被取消的火星勘探者着陆器2001计划那里“继承”了大量的硬件和软件。规避这些在美国宇航局（NASA）“更快、更好、更廉价”时期制造的东西的风险着实是一项挑战，但是“凤凰”号团队对此却胸有成竹。“我们已经解决了所有的问题，”“凤凰”号团队成员、NASA艾姆斯研究中心的卡罗尔·斯托克（Carol Stoker）说，“我们为此非常兴奋。”

　　这一兴奋源自火星上的水已唾“臂”可得——只要伸出“凤凰”号的机械臂即可。为了寻找生命，NASA长期以来一直在追踪火星上的水，但以前每次探测的都是几十亿年前曾经有水流过的地方。有了“凤凰”号，科学家们不仅希望能触及火星地表之下冻结的水，还希望能使用“凤凰”号上的仪器来“尝一尝”、“闻一闻”火星上的水。如果这些水冰曾经长时间处于液态进而为承载火星生命提供可能的话，“凤凰”号也会找到相应的证据。“凤凰”号甚至还能探测古代或者现代火星生命残留下来的分子。但是这一切的前提条件是它能挺过着陆前的最后7分钟。

减速，着陆

　　美国喷气推进实验室（JPL）的“凤凰”号项目主管巴里·戈尔茨坦（Barry Goldstein）解释说，着陆火星的关键是减速。7分钟前“凤凰”号还在以每小时20500千米的速度运动，7分钟后它已经稳稳地着陆在了火星表面。MPL显然没有在这一惊心动魄的过程中“存活”下来。“我们硬件和软件来自一个没有成功着陆的探测器，”史密斯说，“因此我们不得不用怀疑的眼光审视我们拿到的每一样东西。”他补充说，继承这么一大比“遗产”的好处是，我们的工程师们可以在发射前花差不多4年的时间来解决遇到的所有问题，这是往常无法做到的。

　　2000年一个评估小组得出结论，MPL的失败极有可能是由于着陆器在减速火箭仍处于工作状态时伸出三条着陆支架所造成的。由此探测器上搭载的计算机将着陆支架受到的冲击误认为了是着陆时的震动，因此关闭的减速火箭。接下去40米的自由下落便是MPL的终点。但是史密斯提醒说，“没人能确定”问题到底出在哪儿。

　　因此“凤凰”号的“进入、下降、着陆”小组研究了由MPL评估小组和火星勘探者着陆器2001评估小组发现的每一个问题。然后，这个小组也提出了他们认为的潜在的问题。戈尔茨坦说：“我们发现并解决了12个其他人未曾发现的问题。”解决问题需要在实验室中、在计算机模拟中或者在野外进行分析和测试，直到发现问题的根本原因。

　　而问题的解决方案也总是来之不易的。例如，一长串的原因会使得着陆器上的雷达关机。为此该小组还在F-16战斗机上安装了这一雷达用来进行测试。“我们进行了大量的测试和分析，”史密斯说，甚至还包括在不同地形环境下将其悬吊下直升机下方所进行的试验。有问题的计算机程序使得雷达十分容易出错。光测试并且解决雷达问题就造成整个计划超支3千万美元。

　　在测试后期后发现了一个问题，但是没有来得及解决。原先计划用于火星勘探者着陆器的火星下降成像器在着陆器下降过程中会对地面进行拍照。但是测试发现，在把数据传输到数据处理单元的时候会造成着陆器上的陀螺仪失灵，进而导致着陆器坠毁。由于缺乏用于重新设计制造的时间和资金，因此工程师们最终决定关闭火星下降成像器。

　　史密斯说，尽管不被外界注意，但在被给予足够的时间和资金用于测试之后，“整个团队对他们所做的每一个测试充满自信”。“你们也许不会成功，”外部评估委员会主席、JPL的金特里·李（Gentry Lee）告诉“凤凰”号团队，“但是你们理应获得成功。”

[图片说明]：“借尸还魂”。“凤凰”号着陆器的硬件来自先前的两个计划。这两个计划一个失败，一个被取消。这就需要工程师对进入、下降和着陆过程进行复杂的测试。

最佳着陆地点

　　当工程师们为着陆器能在火星表面安全着陆忙碌的时候，科学家们则在为它寻找最佳的着陆地点。两者本身都会受到一些限制。工程师们无法在真实的火星环境下测试整个着陆系统，而科学家们则在评估他们看不到的着陆风险。他们的目标是位于火星北部低地的平原。那里的纬度超过60°，火星奥德赛探测器在那里探测到了富含冰的土壤。

　　因此美国华盛顿大学的雷蒙德·阿维森（Raymond Arvidson）和“凤凰”号团队的其他成员搜集了火星轨道器传回的数据，用来计算可能会破坏着陆器的岩石的数量。但是目前的成像观测无法分辨出能造成威胁的最小的岩石，不过从较大的岩石的数量来外推效果也不错。

　　2006年11月，环火星巡逻者上的HiRISE（高分辨率成像实验）照相机开始了它极为重要的拍摄任务。史密斯说，由于HiRISE可以分辨出小到1米的岩石，因此它为我们提供了许多重要的信息。很显然，造就火星北部冰原特有多边地形的周期性温度变化也会使得原本被掩盖的岩石露出地表。阿维森说，结果显示岩石计数统计的并不是单块岩石的数量而是这些岩石群。

　　经过3个月的HiRISE搜寻，发现了一个位于北部平原的理想着陆地点。那里是一片由细微颗粒物所覆盖的开阔地，没有巨石，可能还含有从附近直径10千米的陨击坑中抛射出的撞击残骸。

[图片说明]：“凤凰”号将着陆在封冻的北部冰原多边地形区。

变得潮湿

　　一旦安全着陆到火星表面，“凤凰”号的最终目标是探测水。起先，即使从着陆器照相塔或者是2.4米长的机械臂上的照相机中你也看不到任何冰的踪迹。但是“在我们去的地方存在大量的冰，”史密斯说，“只要你在蓬松的土壤里挖上2-6厘米，你就会挖到非常坚硬的冰块。”不论从火星奥德赛探测器得到的中子和γ射线遥感数据（暗示了冰层的厚度），还是从水蒸汽渗入低温土壤形成冰块的模型，科学家们都得到了相似的结论。

　　没有人确切知道一旦机械臂挖到冰之后会发生什么。之后，机械臂会将土壤和冰块样本送入“凤凰”号的两个分析仪器单元。其中一个会把样本加热到1000摄氏度，并将由此产生的气体送入一台质谱仪用来做分子分析。另一个则是用于地质化学分析的微型湿化学实验室。

　　“凤凰”号科学小组将综合分析仪器得多的结果和从机械臂照相机以及原子力显微镜所获得的影像来探究现在或者过去是否存在适合生命的环境。斯托克说，“凤凰”号本身没有携带生命探测仪，“但是如果我们找到了可栖息性的证据——液态水或者有机化合物——这将会使得这一地点成为未来火星探测炙手可热的目标。”如果几千或者几百万年以前温暖的夏季能使得冰融化，那么液态水会使得土壤具有独特的质地，并且将盐分从土壤中滤出留在火星表面上。

　　寻找生命有机物的结果可能更难以预料。这些有机物可能是远古生命的残骸，或者甚至是在冰层中休眠等待复苏的生命体。但是它也可能仅仅是陨星带来的非生命体物质。回溯到20世纪70年代，“海盗”号探测器发现火星有机物的含量小于十亿分之一，甚至连陨星带来的都没有发现。由此许多科学家相信，火星会以某种方式会产生强氧化剂，进而会摧毁土壤表面甚至土壤内部的有机物。他们希望着陆地点的冰能长时间的保护有机物留待“凤凰”号去发现。

　　“凤凰”号有90天的设计寿命来搜寻可能存在的生命。与两辆可以运动的火星车不同，“凤凰”号延长工作寿命的余地不大。而在两个分析仪器单元之间也只有12个可单独使用的样本容器。史密斯说：“当火星北半球的冬季来临之际，我们的工作也将基本上到此结束了。”在这一计划最后的日子里，火星的严寒会让“凤凰”号覆盖上一层厚厚的二氧化碳霜冻。史密斯说，如果来年春天“凤凰”号能从这个冰窖中复苏，那将绝对是一件令我瞠目结舌的事情。

[Science 2008年5月9日]