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海盜號著陸器生物探測實驗

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海盜號著陸器生物實驗系統示意圖

1976年，首批成功降落在火星表面的兩架相同著陸器：海盜1號和海盜2號分別將四種不同的生物實驗裝置帶到了火星，隨後進行了尋找火星微生物生命印跡的實驗。每架著陸器都使用機械臂掘取土壤樣本並將其放入著陸器上的密封測試容器中。

這兩架著陸器在火星表面的兩個地方進行了相同的測試，即赤道附近的海盜1號和更北的海盜2號[1]。

探測實驗

下面的四種實驗按照兩架海盜號著陸器進行的順序進行介紹。海盜計劃的生物學團隊負責人為美國宇航局艾姆斯研究中心的哈羅德·克萊因(Harold P. Klein)[2][3][4]。

氣相色譜-質譜儀

氣相色譜質譜儀是一種通過氣相色譜儀分離蒸氣化學成分，然後將結果輸入質譜儀的設備，質譜儀測量每種化學物質的分子量。因此，它可以分離、識別和量化大量不同的化學物質。氣相色譜質譜儀(首席研究員：麻省理工學院的克勞斯·比曼)用於分析未經處理的火星土壤成分，特別是當土壤被加熱到不同溫度時釋放出的那些成分，它可測得以十億分之幾水平存在的分子[5]。

氣相色譜質譜儀在火星土壤中未檢測到有大量有機分子。事實上發現火星土壤中的碳含量比阿波羅計劃帶回的無生命的月壤還低。這一結果難以解釋顯蹤釋出實驗所看到的火星細菌代謝呈陽性的情況(見下文)。 2011 年的天體生物學教科書指出，這是「大多數海盜號科學家最終認為海盜號任務未能檢測到火星土壤中生命」的決定性因素[6]。

鳳凰號著陸器在2008年進行的實驗發現火星土壤中存在高氯酸鹽。2011年的天體生物學教科書討論了這一發現對於海盜號所獲得結果的意義，認為「雖然高氯酸鹽的氧化作用很弱，無法重現顯蹤釋出的結果(在該實驗條件下，高氯酸鹽不會氧化有機物)，但在海盜號氣相色譜質譜儀實驗的較高溫度下，它確實會氧化並會破壞有機物。美國宇航局天體生物學家克里斯·麥凱推測，事實上如果海盜號樣本中存在類似鳳凰號的高氯酸鹽水平，火星土壤中的有機物含量就可能高達 0.1% ，並且仍會產生氣相色譜質譜儀實驗返回的(假)陰性結果。因此，儘管有關海盜號生物學實驗的傳統觀點仍指向「無生命的證據」，但近年來至少出現了一種小的轉變，即「不確定的證據」[7]。

根據2010年美國宇航局發布的報告：「海盜號著陸器加熱火星土壤樣本時發現的唯一有機化學物質是氯甲烷和二氯甲烷—當時被解釋為可能來自清潔劑的殘留氯化物」。根據墨西哥國立自治大學拉斐爾·納瓦羅·岡薩雷斯率領的團隊所撰寫的一篇論文，「這些化學物質正是[他們]最新的研究發現：當將少量高氯酸鹽(鳳凰號意外發現的)添加到來自智利含有機物的沙漠土壤中，並以海盜號測試的方式進行分析時」。然而，美國宇航局2010年的新聞稿還指出：「海盜號發現的有機氯化合物被解釋為來自地球污染物的一個原因是，其中兩種氯同位素的比值與地球上這些同位素三比一的比例相符，但它們在火星上的比例尚未明確確定。如果發現它們與地球的有很大不同，則將支持上世紀70年代的解釋」[8]。比曼撰寫了一篇反駁納瓦羅·岡薩雷斯和麥凱論文的評論[9]，後者對此也作了回應[10]，雙方的交流意見發表於2011年12月。

氣體交換

氣體交換(GEX)實驗(首席研究員：美國宇航局艾姆斯研究中心的萬斯·歐亞瑪)通過先用惰性氣體氦替換火星大氣，再向土壤樣本中添加有機和無機養分混合液來檢測所培養土壤樣本中釋放出的氣體。首先只添加營養物質，然後再添加水[1]。儀器定期對培養箱中的氣體進行採樣，並使用氣相色譜儀測量包括氧、二氧化碳、氮、氫和甲烷等數種氣體的濃度，科學家們假設，新陳代謝的生物體會消耗或釋放至少一種被測量的氣體。

1976年11月初，據報道，「在海盜2號上，氣體交換實驗產生了與海盜1號類似的結果。再次顯示出，當營養液與土壤接觸時，氧氣就會消失，而二氧化碳就開始出現並持續不斷發展」[11]。

顯蹤釋出

顯蹤釋出(LR)實驗(首席研究員：生物信息學公司的吉爾伯特·列文)為天體生物學家帶來了最大的希望。在顯蹤釋出實驗中，火星土壤樣本被注入一滴高度稀釋的營養液。營養物質(7種米勒-尤里產物分子)用放射性碳14標記，通過監測土壤上方空氣中的放射性二氧化碳14(或其他碳基[12])氣體變化，證明土壤中的微生物代謝了一種或多種養分。如下文熱解釋放所述，實驗對照組也將遵循這一結果。考慮到前兩種實驗的陰性測試結果，本項實驗在第一次注入營養液後，土壤立即釋放出穩定的放射性氣體，結果相當令人驚訝。該實驗分別由兩架海盜號探測器完成，第一架探測器使用暴露在陽光下的地表樣本，第二架探測器則採集的岩石下樣本，最初的兩次注入都呈陽性反應[1]。隨後，加熱兩份土壤樣本作滅菌對照測試。在攝氏160度下加熱3小時後的樣本，注入營養物時不釋放放射性氣體；在攝氏50度下加熱3小時的樣本，注入營養物後釋放的放射性氣體明顯減少[13]。隨後，對攝氏10度下儲存了數月的樣品進行測試，顯示釋放的放射性氣體也顯著減少[14]。

2000年美國有線電視新聞網的一篇文章指出，「雖然他的大多數同行得出了不同的結論，但萊文仍然認為，他在1976年海盜號著陸器上協調的機器人測試表明火星上存在生物」[15]。2006年的一本天體生物學教科書指出「在地球上，未經消毒的土壤樣本，經初始培養後添加更多的營養物質，則會產生更多的放射性氣體，因為休眠的細菌會突然活躍起來，消耗新劑量的食物，但火星土壤的情況並非如此。在火星上，第二次和第三次營養注入並未進一步釋放出任何顯蹤氣體」[16]。同一教科書的2011年版指出「噴氣推進實驗室的艾伯特·嚴(Albet Yen)表明，在極端寒冷和乾燥的條件下，紫外線(記住：火星缺乏臭氧層，因此表面沐浴在紫外線的照射下)會導致二氧化碳與土壤發生反應，產生各種氧化物，包括高活性的超氧化物(含氧離子的鹽)。當它們與有機小分子混合時，超氧化物很容易將它們氧化成二氧化碳，這可能就是顯蹤釋出結果的原因。超氧化物化學也可以解釋在顯蹤釋出實驗中，向土壤里添加更多養分時所出現的令人困惑的結果。因為生命在繁殖，當添加第二或第三批營養素時，氣體數量理應該增加。但如果這種影響是由於第一次反應中消耗了某種化學物質，則就不會出現新的氣體。最後，許多超氧化物相對不穩定，在高溫下會被破壞，這也解釋了顯蹤釋出實驗中出現的「滅菌」現象[7]。

在約瑟夫·米勒(Joseph Miller)2002年發表的一篇論文中，他推測，在系統化學反應中記錄到的延遲表明，生物活動類似於先前在地球藍藻中觀察到的晝夜節律[17]。

2012年4月12日，包括萊文和帕特里夏·安·斯特拉特在內的一組國際團隊發表了一篇同行評議論文，根據1976年海盜號任務顯蹤釋出實驗聚類分析進行的數學推測，建議探測「火星上現存的微生物生命」[18][19]。

熱解釋放

熱解釋放(PR)實驗(首席研究員：加州理工學院的諾曼·霍洛維茨)包括使用光、水和含碳的一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)大氣，模擬火星上的情況。含碳氣體是由一種重的放射性同位素「碳14」(C14)構成。如果存在光合生物，人們相信它們會像地球上的植物和藍藻一樣，通過碳固定過程將一些碳作為生物質吸收。經過數天的培養，實驗去除了氣體，將剩餘的土壤在攝氏650度(華氏1200度)溫度下烘烤，並將它們收集到一台放射性計量裝置中。如果碳14中的任何一種被轉化為生物質，它將在加熱過程中蒸發，放射性計數器將檢測到作為生命證據的它。如果獲得了陽性反應，將對相同土壤的備份樣本進行加熱「滅菌」，然後作為對照進行測試。如果它仍顯示出類似第一次反應的活性，則證明這種活性屬於化學性質，而零或大大減弱的反應則就為生物性的證據。這種相同對照測試將用於前三種生命檢測中，任何一種顯示出陽性結果的實驗[20]。對海盜1號熱解釋放實驗結果的初步評估是：「結果分析表明，有機物的形成很少，但很明顯」，滅菌對照組沒有顯示有機物的證據，表明「這些發現可歸因於生物活性」[21]，但鑑於有機物在攝氏90度下持續釋放、水蒸氣注入對有機物有抑制作用，特別是氣相色譜質譜儀實驗未能檢測到火星土壤中的有機物等因素，研究人員得出熱解釋放的結果極可能是非生物的解釋[22][20]。然而，在隨後的幾年裡，隨著氣相色譜質譜儀結果越來越受到檢視，熱解釋放實驗結果再次被視為可能與生物活性一致，儘管「對熱解釋放實驗中有機物合成明顯不足的解釋仍模糊不清」[23]。

科學結論

有機化合物似乎很常見，例如在小行星、隕石、彗星和其它環繞太陽運行的冰冷天體上，因此，在火星表面沒有發現任何有機化合物蹤跡令人驚訝。氣相色譜-質譜聯用技術肯定有效，因為控制措施是有效的，而且它檢測到了發射前使用清潔劑消毒而殘留的微量氯[24]。2018年，對氣相色-質譜儀數據進行了重新分析，表明它可能確實檢測到了有機化合物，這與好奇號漫遊車上的數據相符[25]。當時，由於地表上完全沒有有機物質，使得生物學實驗的結果毫無意義，因為這些實驗的目的旨在檢測有機化合物的新陳代謝。一般科學界推測，海盜號的生物測試仍屬尚無定論，可用純化學作用過程來解釋[1][21][26][27]。

儘管「顯蹤釋出」實驗得出了肯定的結果，但普遍的看法是這四項實驗結果最好要用火星土壤的化學氧化反應來解釋。目前的一種結論是，火星土壤持續暴露在太陽紫外線下(火星沒有保護性臭氧層)，已形成了一層極強的薄氧化物層。極活躍的氧化分子會與添加的水反應生成氧氣和氫氣，並與營養物質反應產生二氧化碳(CO2)。

1965年至1976年曾擔任噴氣推進實驗室「水手號」和「海盜號」任務生物科學部門負責人的諾曼·霍洛維茨（Norman Horowitz）認為，碳原子強大的多功能性使其成為最有可能為其他行星上生命生存問題提供解決方案的元素，甚至是奇特的解決方案[28]。然而，他也認為火星上發現的條件與碳基生命不相容。

2008年8月，鳳凰號著陸器在加熱到攝氏200度以上時檢測到強氧化物-高氯酸鹽，這最初被認為是導致海盜號「顯蹤釋出」實驗結果呈假陽性的原因[29][30]。然而，2010年12月發表的實驗結果表明[31][32]，海盜1號和2號分析的土壤中「可能存在」有機化合物，因為美國宇航局的鳳凰號著陸器在2008年檢測到高氯酸鹽，它可以分解有機化合物。該研究的作者發現，高氯酸鹽在加熱時會破壞有機物，並產生副產品氯甲烷和二氯甲烷，這與海盜號著陸器在火星上進行相同測試時發現的氯化合物相同。由於高氯酸鹽會分解火星上的任何有機物，海盜號是否發現了有機化合物的問題仍然懸而未決，因為有可替代的其他化學和生物學解釋[33][9][21]。

2013年，艾姆斯研究中心的天體生物學家理察·奎因(Richard Quinn)進行了一項實驗，其中胺基酸與次氯酸鹽反應(次氯酸鹽是用伽馬射線照射高氯酸鹽時產生的)似乎重現了顯蹤釋出實驗的結果[34][35]。他的結論是，海盜號生物實驗的結果不需用過氧化氫或超氧化物來解釋[35]。2017年，包括奎因在內的一組研究人員進行了一項更詳細的研究。雖然該研究並非專門設計來匹配顯蹤釋出實驗的數據，但發現次氯酸鹽可以部分解釋對照組結果，包括攝氏160度滅菌測試。作者表示，「計劃在顯蹤釋出實驗背景下實施進一步的實驗，以描述次氯酸鹽和其他含氧氯物質的熱穩定性」[36]。

爭論

在2008年火星上發現高氯酸鹽氧化物之前，部分理論仍然反對一般的科學結論。一名研究人員提出，氣相色-質譜儀檢測不到有機物的生物學解釋可能是過氧化氫-水溶劑(H2O2-H2O)的氧化能力遠遠超過了有機化合物的還原能力[37]。

還有人認為，顯蹤釋出(LR)實驗在火星土壤中檢測到的代謝生物體太少，以至於氣相色譜儀無法檢測到它們[1]。這一觀點由顯蹤釋出實驗的設計者吉爾伯特·萊文提出，他認為該實驗的陽性結果可斷定火星上的生命[38][39]。他與其他人一直在進行實驗，嘗試用地球上的生物或非生物材料再現海盜號的數據結果。雖然沒有任何實驗能精確再現火星顯蹤釋出測試和對照的結果，但使用過氧化氫飽和的二氧化鈦進行的實驗也產生了類似的結果[40]。

雖然大多數天體生物學家仍認為海盜號的生物實驗沒有結論或是否定的，但吉爾伯特·萊文並非唯一一位持相反觀點的人。目前有關火星生命的說法是基於根據最近的發展對舊證據的重新解釋[41][42][43]。2006年，科學家拉斐爾·納瓦羅證明，海盜號生物實驗的微量有機化合物檢測靈敏度可能不足[42]。在2010年12月發表的一篇論文中[31]，科學家們提出，即使存在有機物，它們也不會被檢測到，因為當土壤被加熱以檢查有機物時，高氯酸鹽會迅速破壞它們，產生氯甲烷和二氯甲烷，這就是海盜號著陸器所發現的。該團隊還指出，這並非生命的證據，但它可能會改變科學家未來尋找有機生命印跡的方式 [8][44]。當前火星科學實驗室任務和正在開發的火星生物學項目提供的結果可能會有助於解決這一爭議[44]。

2006年，馬里奧·克羅科(Mario Crocco)甚至提議建立一種新的命名等級，將一些海盜號的結果歸類為「代謝」，從而代表一種新的生命形式[45]。克羅科提出的分類法並未被科學界接受，克羅科解釋的有效性完全取決於火星土壤中不存在氧化物。

根據顯蹤釋出實驗研究人員吉爾伯特·萊文和帕特里夏·安·斯特拉特的說法，截至2016年，沒有任何涉及無機化學的解釋能對該實驗的完整數據給出令人滿意的解釋，並具體解決土壤樣本上的活性劑問題：如數據所示，在加熱至約攝氏50度時會對樣本產生不利的影響，並在攝氏10度的黑暗中長期儲存而會破壞樣本[46][47]。

批評

詹姆斯·洛夫洛克認為，海盜號的任務本應更好地研究火星大氣層而非觀察土壤。他的理論是，所有生命都傾向於將廢氣排放到大氣中，因此，可通過檢測處於化學不平衡狀態的大氣層，來推測行星上是否存在生命[48]。他得出的結論是，當時已有足夠多火星大氣層的信息來打消那裡存在生命的可能性。從那時起，在火星大氣中發現了10ppb的甲烷，從而又重新開啟了這場辯論。儘管2013年好奇號探測車未能在所在位置檢測到超過1.3ppb的甲烷 [49]。2013年晚期和2014年，好奇號的測量確實檢測到了甲烷[50]，表明它是一個時變源。2016年3月發射的火星微量氣體任務衛星貫徹了這一思路，將側重於探測、描述空間和時間變化，以及定位火星上一系列大氣微量氣體的來源，並幫助確定其形成成因是生物性的，還是地質性的[51][52]。自2014年底以來，火星軌道探測器也在嘗試探測和測繪火星大氣層中的甲烷。一篇新聞評論認為，如果海盜號著陸器現場有生命的話，它們可能也已被著陸火箭的廢氣殺死[53]。對於通過安全氣囊保護的太空艙著陸、通過降落傘和反推火箭減速、並從火箭排氣避開地面高度降落的任務來說，這不是問題。火星探路者號的旅居者號漫遊車和火星探測漫遊者都成功地使用了這種著陸技術。「鳳凰號著陸器使用減速火箭降落到地面，但它們的燃料是聯氨，並未發現噴流最終物(水、氮和氨)對著陸點土壤的影響。

當前和未來的任務

尤里儀結構

目前，還無法圓滿地解答有關火星生命的問題，除非未來的火星任務能最終證明該星球上確定存在生命，或海盜號探測結果只是化學作用原因，還是兩者兼而有之。2012年8月6日，火星科學實驗室任務將好奇號探測車降落在了火星，其目標包括調查火星氣候、地質以及是否曾支持過生命，包括調查水的作用和行星宜居性[54][55]。2016的火星微量氣體任務衛星、2021年的火星2020毅力號探測車以及後來的羅莎琳德·富蘭克林號漫遊車將繼續在火星上進行天體生物學探究。

2008年，火星上啟用了熱釋氣分析儀，它可對8份樣本進行化學分析。

火星有機物和氧化物探測器是一種專門研究有機化合物的敏感探測器，但從未被送往到火星。

擬議的任務

生物氧化物和生命探測是一項擬議中的火星任務，將通過使用數台小型撞擊著陸器來繼續海盜號所做的土壤測試[56][57]；另一項提議的任務則是基於鳳凰號著陸器的生命破冰者探測器。

另請查看

參考文獻

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延伸閱讀

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