在火星上證實了有高鹽液態水的存在後,NASA重新點燃了我們發現外星生命的希望。在NASA發佈液態水在火星上存在的第一個直接證據之後,大部分人的第一反應是:「既然水存在,那麼火星上會有生命存在嗎?」

火星是一個大氣稀薄、冷熱交替比地球更極端的世界。不過相比其他的類地行星,條件似乎又要好的多了。現在我們在火星上找到了液態水存在的痕跡,這就引發了一個明顯的問題:什麼樣的生命形式有可能能真正生活在那裡?

現在的火星上,如果有生命,幾乎可以肯定是微生物。不過直到我們真正找到並研究它們之前,所有東西都是不確定的。現在嘛,我們倒是可以做一些關於火星生命的本質的猜測。如果我們深入瞭解生活在地球上最惡劣的環境下的一些最奇怪的生物,我們也許能找到些答案——而這,也可能是未來火星探索的重要方向。

 

火星有水, 但環境惡劣

可能生存在火星的微生物,其生存策略也許能夠從適應地球極端環境的嗜鹽菌和嗜冷菌身上得到提示。但是在火星生活還有其他的一些更大的挑戰,它們是任何生命形式都必須克服的。

首先,重要的事實是,火星大氣缺乏臭氧層的保護。實際上,你可以認為那裡一直在用紫外線照射殺菌。

其次是鹽的實際性質。在火星上,到目前為止我們發現的鹵水是高氯酸鹽。它是種高度腐蝕性的化合物,對於大部分的地球生物來講,這玩意是有毒的。

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有液態水存在的火星隕石坑。暗色條紋就是高氯酸鹽溶液產生的流動條紋。這樣的環境,能支持生命存在嗎?圖片來源:NASA

火星上有鹽水的環境大概是什麼樣的?根據NASA對火星隕石坑上暗色條紋的光譜分析顯示,「強有力的證據」表明這是水化的高氯酸鹽產生的流動條紋。而溶解大量鹽份的水可以降低水的冰點,讓其在零下的溫度裡也不會結冰。目前在火星上發現的高氯酸鹽還包括和其他各種原子相互結合的氯和氧,這能讓高氯酸鹽溶液在攝氏零下70度的溫度下仍然保持液態。

因此,我們認為火星上的這些鹽水也許偶爾從隕石坑壁上流下來,沉積出鹽紋,並將水汽蒸發到上方稀薄的大氣層。這些水可能來源於地下,也可能來自高氯酸鹽從空氣中“拉拽”出的水蒸汽。

這些鹵水「過於極端」,幾乎不可能有生命。「在地球上也有些高鹽分的鹵水,但它們太鹹了,生命沒法生存。」NASA的天體生物學家、著名的「火星地球化」愛好者克裡斯·麥凱(Chris McKay)說,「最有名的一個鹽池是在南極洲的唐胡安池。但火星上的鹽水比這個小池的氯化鈣鹽水更鹹。」

如果我們只是憑空想像這種環境是挺困難的,不過好在我們可以在地球上找到類似的環境。在阿塔卡馬沙漠,地球上最為極端的環境之一,科學家發現了一些生活在鹽結晶表面液態水薄膜裡的微生物。根據2011在《天體生物學》發表的一篇論文中,這些液態水可能是由鹽分從空氣中「抓取」的。

然而困難在於,高氯酸鹽表面這層液態水薄膜的水活性將非常低。這意味著水份難被生命所利用。「如果這些鹵水是高氯酸飽和溶液,在這樣的低水活性生存生活,據我們所知,反正在地球上不可能。」研究的第一作者露捷德拉·歐嘉(Lujendra Ojha)說。更別提高氯酸對地球上大多數生命都是有毒的了。

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阿塔卡馬沙漠,仍有一些微生物生活在鹽層表面的液態水裡。圖片來源:gizmodo.com

所以,火星微生物(如果存在)將不得不克服這個事實:火星是個有毒的、充滿輻射的荒涼之地。

 

就算環境極端,細菌仍能生存

儘管如此,這些鹵水足以讓我們開始想像生命在火星的棲息地,以及可能存在于火星的生命類型。那麼,什麼樣的生命形式可以生活在這種十分冷又十分咸的水裡?

多年來,科學家們已經確定了許多嗜鹽(耐鹽)和嗜低溫(耐寒)微生物生活在地球上。最近,我們甚至發現了一些又耐寒又耐鹽的微生物,它們生長在寒冷的海水裡、南極的湖泊中、或著冰川冰層夾層的液體內。

目前這些生物生存的極限溫度和鹽度還不太清楚,我們大概知道它們能在零下12ºC的時候進行細胞分裂,零下20ºC的時候能夠進行基礎代謝。而一些嗜鹽和嗜低溫微生物能夠生長在零下12ºC的低溫裡,以及高達20%的鹽濃度下。

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南極的鹹水湖裡的微生物。圖片來源:沙漠研究學院(Desert Research Institute)

為了活下去,細菌有特殊的技巧

在這樣的環境中,微生物是如何生活的呢?為了防止在高鹽條件下細胞脫水,嗜鹽菌會在細胞內部保持較高的鹽濃度。這樣一來,滲透梯度會讓水流入細胞,而非向環境裡滲透。同時,高濃度的細胞液濃度也確保它們不會結冰——結冰不是啥好事,這讓細胞沒法正常代謝。

除了鹽平衡,其他一些手段也能幫助嗜鹽嗜冷菌適應嚴寒。相比于飽和脂肪酸,嗜冷菌的細胞膜往往含有更多不飽和脂肪酸;細胞膜上還包含著額外的運輸蛋白,可以在細胞內外運輸物質。和生活在「正常」氣候下的細菌們相比,嗜冷菌的酶結構更加「靈活」,這讓酶們在較低的溫度下仍然能夠正常作用。有些種類的細菌甚至能產生抗凍蛋白,這有助於限制冰晶在細胞內的生長。

最後,遺傳分析表明,嗜冷菌常存在大量的「移動DNA分子」,這些基因編碼的是細菌適應寒冷的關鍵特徵,它們可以在微生物之間交換。如果你是一隻南極鹽水嗜冷菌,而且正好遺失了某些重要的保障你生存的蛋白,你可以從鄰居那裡獲得這些相應的遺傳「藍圖」。

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嗜鹽嗜冷菌有一些特殊的結構和功能來適應高鹽和嚴寒的環境,比如更耐寒的細胞膜、更高的細胞液濃度、額外的轉運蛋白和更靈活的酶結構等等。圖片來源:gizmodo.com

這些細菌,能在火星生存嗎?

我們應該保持開放的心態,因為如果微生物能夠在阿塔卡馬沙漠生存,那麼一切皆有可能。

避免輻射的一種方法是住在地下。我們所看到的高氯酸鹽鹵水來自地表含水層,也許這些含水層就提供了一個無輻射的避難所。但我們並不知道事實是不是這樣。

時間擁有令人震驚的能力,生命已經證明了它們能夠適應有毒環境。在高腐蝕性的酸性礦山下水道和湖泊中,我們發現了生命的存在。我們已經觀察到北極汞污染水準的上升過程裡,微生物逐漸適應的現象。同時微生物學家也發現,地球上就存在一種細菌酶,也許能降低高氯酸鹽的毒性。

火星上的液態水的確切證據並不意味著火星上有生命。但它確實讓我們看到了些希望。正如吉姆說的那樣:「哪裡有液態水,哪裡就很可能有生命。」在我們得到一些樣品之前,可能的生命性質是沒法確定的,不過探索任務就要來了。2020年,美國航空航天局已安排一個火星探測車,它將帶回那裡的樣品,讓我們尋找「化學化石」或者其他生命的證據。

如果我們找到了,那麼任何結果肯定都是令人震驚的。

 

撰文:Maddie Stone
編譯:郵菜菜
編輯:Jerrusalem

 

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