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本文來自《環球科學》2014年7月號。
撰文 克里斯多福·P·麥凱（美國航空航天局埃姆斯研究中心研究員）
維克託·帕羅·加西亞 （西班牙天體生物學中心研究員）
翻譯 程子燁[中國地質大學（武漢）行星科學研究所的博士研究生，從事天體生物學研究]
審校 肖龍[中國地質大學（武漢）地球科學學院副院長，行星科學研究所常務副所長]
40年前，探測器第一次在火星著陸。從那時起，天文學家逐漸對火星有了很多認知。我們知道，火星表面曾經存在液態水，也知道火星和地球的早期歷史很相似。35億年前，地球上開始出現生命，那時的火星是一個比現在溫暖，有液態海洋、磁場和較厚大氣層的星體。由於這兩顆行星的相似性，我們有理由認為火星上曾經存在過生命。
事實上，據我們所知，這顆紅色星球上現在仍然可能存在微生物。過去35年中，火星探測任務都集中於對火星地質的探測，而不是火星生物的探測。唯一 一次例外是1976年著陸的「海盜」1號（Viking 1）和「海盜」2號（Viking 2）火星探測器，它們進行了第一次、也是迄今為止唯一 一次對火星生命的探索。每艘「海盜」號太空飛行器都完成了與生物探測相關的4組實驗，但每組實驗返回的結果都是模稜兩可的數據。這兩次對火星生命的探索帶給我們的只有疑惑，而並非答案。現在，我們已經知道，即使火星上存在生命，「海盜」號探測器的實驗方法也不一定能夠檢測到。這意味著，對於火星上是否存在生命這個問題，答案仍然未知。
幸運的是，最近幾十年，微生物學家已經開發出很多新工具，用來檢測微生物。這些工具現在都只是用於地球微生物的探測，但是，這些儀器一旦被今後的某次火星探測任務所採用，火星上是否存在生命這個問題，就能得到一個明確的答案。
第一次探測
「海盜」號探測任務使用了當時的標準探測技術，在火星上尋找生命跡象。在最初的探測實驗中，著陸器挖掘出火星的土壤樣本，然後向土壤中添加含碳化合物，作為可能存在的微生物的「食物」。如果土壤中真的存在微生物，它們就會消耗含碳化合物，釋放出二氧化碳。
事實上，「海盜」號任務確實檢測到了微生物的生命活動，就這個實驗而言，似乎可以說明火星土壤中存在微生物。但與其他幾次實驗的結果相對照時，研究人員卻無法肯定微生物的存在。
探測器的第二次實驗是尋找光合作用的證據，但得到的結果並不明確。第三次實驗是向土壤樣品加水，如果有生命存在，溼潤的土壤中就可能產生二氧化碳，但實驗產生的物質卻是氧氣。這是一種非常奇怪的實驗現象，至少地球土壤沒有出現過這種結果。科學家認為，氧氣是來自於火星土壤的化學反應。
第四次實驗是探測火星土壤中的有機化合物。含碳化合物是構成生命的基石。如果火星上曾經有生命存在，我們就有可能找到這些有機物。但是，僅憑有機物並不能確定火星上曾經存在過生命，因為有機物還可能是由降落在火星上的隕石帶來的。令人困惑的是，這組實驗沒有發現任何有機物存在的證據。
綜合考慮這四次實驗，實驗結果難倒了研究人員。大多數科學家將最後兩次實驗的結果解釋為由化學反應產生，但化學反應不能完全解釋第一次實驗的結果。雖然少數研究火星的科學家認為，第一次實驗找到了火星生命存在的證據，但多數人得出的結論是，火星是沒有生命的。
2008年，「海盜」號探測器著陸火星32年後，美國航空航天局（NASA）的「鳳凰」號（Phoenix）探測器在火星北極地區著陸，科學家終於開始解開謎團。出乎所有人的意料，「鳳凰」號在火星上檢測到了高氯酸鹽，這是一種地球上十分罕見的分子，其結構特點是4個氧原子與1個氯離子相連，然後連接鎂離子或鈣離子。當溫度達到350℃時，高氯酸鹽會分解，釋放活性氧和氯，因為這種特性，高氯酸鹽常被用作火箭燃料。
這一發現使研究者認為，高氯酸鹽很可能磨滅了那些土壤中的生命痕跡。在「海盜」號探測有機物的實驗中，首先要將土壤樣品加熱到500℃，讓有機分子氣化，從而檢測以氣態形式存在的有機物。但在2010年，由墨西哥國立自治大學的拉斐爾·納瓦羅-岡薩雷斯（Rafael Navarro-González）領導的團隊（本文作者麥凱就是該團隊成員）發現，在加熱過程中，高氯酸鹽能完全氧化土壤中的所有含碳化合物。
高氯酸鹽的發現也能解釋「海盜」號第一次、第三次實驗的結果。在第一次實驗中，向土壤加入碳源後，能產生二氧化碳，是因為暴露在宇宙射線中的高氯酸鹽會產生類似漂白劑的化合物，這類化合物會使有機分子（如那些添加到土壤中的碳源）分解，產生二氧化碳。而在第三次實驗中，之所以能在溼潤的土壤中檢測到氧氣，是因為高氯酸鹽在生成漂白劑類化合物的過程中會產生氧氣，這些氧氣保存在初始土壤中，當加熱土壤時，就會釋放出來，從而被「海盜」號檢測到。這樣，「海盜」號留下的這兩個問題也就得到了解釋。
然而，科學家在火星上發現生命的願望，仍有可能成真。2012年，「好奇」號（Curiosity）火星車已經在火星表面著陸，並從那時起一直採集土壤樣品。今年初，由NASA戈達德太空飛行中心的保羅·馬哈菲（Paul Mahaffy）帶領的火星樣品分析團隊（麥凱是團隊一員）報導稱，「好奇」號在蓋爾撞擊坑（Gale Crater）底部的古老泥巖中，檢測到了有機碳和高氯酸鹽。因此，火星存在有機物，只是「海盜」號的實驗方法無法檢測到。對於火星上的生命物質，是否可能有同樣的情況？
尋找胺基酸
在「海盜」號著陸後的40年裡，微生物技術發生了巨大變化。現在來看，「海盜」號採用的在培養皿中培養微生物的方法存在缺陷，因為只有小部分微生物能在培養皿中存活。現在，科學家已經研發出靈敏度更高的探測技術，能夠從分子水平直接檢測微生物。這為開發全新的探測火星生命的方法奠定了基礎。
其中最常用的是DNA檢測和測序技術。這種方法可以通過基因克隆，產生足夠的DNA用來測序，因此不再需要培養微生物。一些研究團隊正在研究提取DNA的方法，希望能整合到用於火星探測任務的設備上。
但是，依靠DNA檢測，來尋找火星生命的探測方法有個缺陷：儘管絕大多數地球生物都有DNA，但地外生命卻不一定。即使有，也可能與地球生物的DNA完全不同，以至於DNA檢測裝置根本無法檢測到。
幸運的是，火星上可能存在其他的生物標誌物，如蛋白質和多糖。蛋白質由20多種生命必需的胺基酸構成，在一些隕石中，就能檢測到胺基酸，因此這種物質可能是任何能產生生命的環境都具有的物質。多糖是在酶（生物催化劑）的作用下合成的糖鏈，這些酶本身也是蛋白質。
檢測到複雜的蛋白質或多糖分子，將會是證明火星生命存在的強大證據。因為從廣義來說，生物體就是編碼信息，並使用這些信息來構建複雜分子。與簡單的非生物分子相比，這些複雜分子構成的生物系統會非常明顯，正如在一片荒石中，摩天大樓會非常顯眼。
帕羅·加西亞（Parro García）一直在研發能在火星上檢測複雜分子的儀器，這種儀器基於一項技術——免疫測試，目前這種技術已用於同時檢測數百種不同類型的蛋白質、多糖和其他生物分子（包括DNA）。
免疫測試會採用一種Y形蛋白質作為抗體，每種抗體都會與特定類型的生物分子相結合（見「檢測火星上的蛋白質」）。在免疫測試中，一種常用的方法是，把可能包含待測目標分子的溶液，塗在一個抗體陣列上，其中每一種抗體都會與特定的目標分子結合。如果樣品溶液含有目標分子，抗體將與之結合，識別出目標分子。
免疫測試有一個很大的優勢是，抗體能夠檢測出比完整蛋白質更小、更簡單的分子。這樣，使用免疫測試的儀器就可以檢測那些與生命相關的、簡單的分子，如蛋白質分解後產生的小片段，而發現這些片段，同樣意味著火星生命的存在。
地球上的生物體總共含有數百萬種蛋白質，我們如何從這麼多蛋白質中挑選出幾百個，保證一次免疫測試就能檢測出來？最簡單的回答是，我們無法完全保證。但是，我們可以基於以下兩點，合理地推測出要在火星上檢測的蛋白質：首先，我們要搜尋的蛋白質必須有利於生物體在火星上生存，或者說是生物體在火星上生存所必需的。例如，我們可以搜尋一些可以消耗高氯酸鹽，或者有助於生物體適應火星的寒冷環境，或者能夠修復因強烈電離輻射而損傷的DNA的酶。其次，我們可以將微生物界普遍存在的分子作為探測目標，如肽聚糖（peptidoglycan，所有細菌細胞壁的組成成分），或三磷酸腺苷（adenosine tri-phosphate，ATP，地球上所有生物體都用其傳遞化學能，完成代謝活動）。
即使像DNA和蛋白質這樣的大分子已經被火星的惡劣環境破壞，我們仍能從分子碎片中發現生命存在的證據。關鍵是搜索的方式。很多類型的分子在化學結構上對稱，但可能具有相反的「手性」——左旋或右旋分子。地球生命以左旋分子為主。如果我們檢測到胺基酸，並在火星上發現一系列以左旋或右旋為主的胺基酸，這將是令人信服的火星上存在生命的證據。有趣的是，如果是右旋胺基酸——與地球上的蛋白質相反，這將證明火星生命與地球生命是各自獨立演化的。
未來實驗計劃
「海盜」號攜帶了三類生物學實驗設備。我們可以設想這樣一個火星探測任務器，它也攜帶三種搜索生物標記物的儀器——DNA檢測儀、免疫測試晶片，以及檢測、識別胺基酸的儀器。這幾項技術現已基本成熟，接下來的任務是要在火星表面，找到保存生物標記物的最佳場所。
火星上的冰和鹽，能防止生物標記物受損和腐爛，而電離輻射和高溫，則是這些生物標記物的敵人。幸運的是，火星的低溫環境使熱分解現象可以忽略不計——甚至從火星誕生至今都是如此。但電離輻射會在數十億年的時間內，破壞火星表層約一米深處的生物標記物。因此，探索火星生命的候選地點可以是火星上的冰層，如「鳳凰」號著陸的火星北極，或因遭受侵蝕而有古老物質暴露在地表不久的地點。在這兩種情況下，我們都需要鑽取火星表層一米以下的樣品。
目前準備開展的火星探測任務能夠支持這種檢測。歐洲空間局的「天外火星」（ExoMars）探測器將於2018年發射，它將攜帶取樣鑽機。NASA最近宣布，要在2020年發射另一艘「好奇」號火星車。對於在火星赤道乾旱地區的鹽類和沉積物中檢測生物標記物這一工作，「天外火星」和新「好奇」號探測器都能夠勝任。（兩個探測器都不能在極地發揮作用。）
對極地生物標記物的檢測，NASA正在研發一種被稱為破冰船的著陸器，這種著陸器配備了一米長的鑽孔儀和免疫測試設備，用以在火星上多水的北部，尋找永久凍土中的生物標記物。
以上每一項任務都將使火星探測進入一個新時代。過去幾十年的研究證明，火星曾經存在液態水，現在需要探測這個曾經含水的天體是否存在生命。如果我們發現火星存在生物分子——尤其是表徵火星生命起源與地球不同的生物分子，將使我們超越對地球生命的認識。
正如我們已經知道的，宇宙空間有很多恆星和行星的存在，今後我們也將認識到有多種地外生命的存在。我們將認識到宇宙生命的多樣性。
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