第1章 科学

希望在卤水中生长——火星地下液态湖与地外生命的展望

文/任辉

炎炎夏日，一则发自深夜的短讯更是将天文爱好者们的热情彻底引爆：7月25日夜，欧洲航天局对外宣布了他们关于火星的新发现——老当益壮的“火星快车号”探测器，在这颗红色星球的南极冰冠下1.5公里处，探测到了一个直径20公里的地下湖泊！

对于咱们科幻爱好者来说，探索宇宙中其他生命的存在，一直是极富魅力的话题。对地球上生命的研究告诉我们，生命所需的最核心元素恐怕就是液态水了，但在广袤的宇宙中，拥有液态水的环境是非常罕见的：有的行星距离恒星太近，导致温度过高，水分无法留存；有的则距离恒星太远，即便有水存在，也早已冰封成刺骨的凝固天地。从这个角度来说，恒星与行星的距离是否合适，似乎是形成生命的一个先天条件，这就是我们常说的“宜居带”的概念。对于太阳系来说，除了我们的地球，火星似乎也处在宜居带中，所以，关于火星上是否存在生命的研究，在火星探索中一直占有极其重要的地位。

早在人类火星探测的初期，水的存在痕迹就已经如此明显了——在火星的地表上，有类似于水流冲刷形成的痕迹，而在20世纪70年代的探测中，人们更是直接发现了高氯酸盐类，这正是一种典型的水合物。

实际上，层出不穷的证据表明，30亿年前的火星，也曾有过一个温暖湿热的时期，那时的火星上不仅不缺乏液态水，甚至还有过汪洋大海，这片已经消失的海洋的深度和面积都不亚于今天的北冰洋。但命运跟我们的这颗红色邻居开了一个玩笑，尽管它的确处在宜居带中，尽管它曾经拥有过适合生命诞生的环境，但它的体积太小了，当它金属的内核逐渐冷却，保护行星的磁场便渐渐消失了，失去了磁场的庇护，暴虐的太阳风开始不断地剥去它的大气层，被誉为生命之源的液态水，最终在漫长的岁月中不断逃逸流失殆尽。

不过，直到今天，依然有一定量的水残留在火星上：覆盖火星南北极的厚重冰冠，正是由水形成的冰和二氧化碳形成的干冰共同组成的，而在火星其他地区的土壤中，也有大量的水冰存在。只是火星上液态水的痕迹却的确难觅其踪，这倒不是因为火星温度低的缘故——在火星的赤道附近，日间气温也能达到35℃左右，但影响液态水的存在的因素，除了温度之外，还有气压，火星上的气压极低，如果温度超过0℃，许多冰会直接升华为水蒸气，而不是融化为液态水。在这次的发现之前，人们只是间接地发现了一些液态水存在的蛛丝马迹：2005年，NASA发现火星的部分地表出现了一些暗色的条带，这些条带似乎会随着季节的变化而增长或缩小，人们不禁怀疑，这是否是火星土壤中的冰融化成的水在流淌的痕迹呢？有的学者认为这是一个合理的解释，尽管这些地区的温度，还在零下70多摄氏度，但如果这些水中含有大量的高氯酸盐，那么它们的冰点就会大大降低，如此低温之下的部分融化也是可能的。

但对于火星上液态水的研究焦点，始终被放在了南北极的冰冠区域。早在1987年，就有学者指出南北极冰冠的下方有可能会形成液态水。这一观点绝非异想天开，对我们地球上南极冰冠的研究发现，南极冰层下方有140多个大大小小的液态湖，其中最大的沃斯托克湖（Lake Vostok）和北美洲的安大略湖差不多。这些冰下湖形成的原因，很有可能是因为冰层太厚导致内部压力太大所形成的水的融化，学者们相信，火星南北极冰冠下也可能会出现这样的液态湖。

2015年，“火星快车号”在轨探测器就在火星南极的冰盖下察觉出了液态水存在的可能：在1.5公里的冰层下方，出现了一个导电性极为特殊的区域，而经过三年的持续研究，欧空局最终排除了其他可能性，人们可以确定地宣布，在火星南极冰盖之下，的确有液态水形成的湖泊！

我们可以猜测，这个湖泊形成的原因，和地球上南极的冰下湖是类似的，而“火星快车号”的雷达信号进一步显示，这里的湖水温度极低，之所以还没有结冰，恐怕正是因为前面我们说过高氯酸盐的缘故，也就是说，这其实是一汪被厚重冰层覆盖住的寒冷盐水。

那么，这么恶劣的环境中，是否有可能会存在生命的迹象呢？

其实我们没办法直接给出否定的答案，因为在今天的地球上，同样有许多不适宜生命存在的地方，最后都发现了生命顽强的身影。

我们平常所理解的生态链循环，总是离不开太阳的参与，在陆地上，植物进行光合作用产生能量和营养，这就是整条食物链的基础——初级生产者，一些动物消耗植物为生，其他的动物则以这些食草动物为食，这样，一个拥有生产者、消费者的生态循环就形成了。在海洋中，这样的模式依然适用，浮游植物成了进行光合作用的生产者，其他的浮游动物、小型鱼类，乃至大型掠食性鱼类和海洋哺乳生物，都要生活在建立于浮游植物基础上的海洋生态链中。

被1.5公里厚重冰层所覆盖的火星地下湖，由于缺少了阳光这个关键的因素，似乎不能支撑起生命的生存。但这一逻辑在我们的地球上就已经被推翻了，在20世纪70年代之前，人们还普遍认为大洋的深处就是生命的禁区，因为阳光能够穿透海水的深度，最多不超过一千米，在被黑暗笼罩的几千米深处海底，当然无法进行光合作用，缺少了依靠光合作用产生营养的生产者，生态链自然无从建立。

但20世纪70年代首次踏足深海的我们，却发现这里存在着极为繁茂的生态体系，尤其是在洋中脊区域，这里林立着许多深海热泉，也就是我们常说的“黑烟囱”，从热泉中喷出的滚烫热液，其中富含硫化氢等物质，而一些细菌，就聚集在热泉的出口，它们居然能够通过将硫化氢与氧结合而产生能量和有机物质，这就是化学自营细菌。许多其他生物也被这些化学自营细菌吸引而来，它们有的以滤食这些细菌为生，有的则干脆和这些细菌共生——一些生活在热泉附近的蠕虫和甲壳类动物体内，都存在这些化学自营细菌。也就是说，缺乏阳光并不能成为阻碍生命繁衍的决定性因素，甚至海底热泉周边极度恶劣的温度条件，也没能阻碍生命前进的脚步。由于水压和盐浓度的影响，热泉中喷薄而出的热水温度经常会超过100℃，但在距离热泉仅仅几米之外，深海的冰冷海水就可以直达冰点，一种生活在热泉周边的庞贝蠕虫，似乎对这样剧烈的温差早已适应：它们不仅经常会爬进滚烫的热泉水中，也可以“漫步”于周边冰冷的海底，这种耐极度高温和极度剧烈温差的生物，让我们对生命的顽强有了全新的认识。

我们可以想象，如果在火星的南极冰冠下也存在有热泉这样的地质活动，就很有可能也会孕育出这样以化学自营方式为基础的生态链！但是不得不承认，这种情况在火星上恐怕是不会出现的，因为就像我们前面说到的那样，火星的内核早已冷却，当一颗行星躁动的内心已经归于沉寂之后，火山活动也就随之终结了。

所以对于可能存在于火星上的生物来说，它们所要面对的严酷环境，恐怕与海底热泉的生物所面临的环境有着冰与火的差别。是的，极度的寒冷是火星盐水湖的常态，从“火星快车号”的雷达信号分析，这片地下湖泊的温度恐怕在零下60℃以下。

我们都知道，如果温度下降到一定程度，生物体内的体液会冻结，对新陈代谢至关重要的酶的活性会降低，地球上的绝大多数生物都必须生活在适宜的温度下，其中尤以适应温带和热带气候的生物种类最多。然而，这并不代表低温之下就没有生命活动，在漫长的演化过程中，有一类微生物已经演化出了对抗低温环境的独门绝技。这些被统称为嗜冷菌的微生物，可以通过改变细胞膜上的不饱和脂肪酸比例避免自己被冻结，还可以通过一些分子结构比较柔软的酶在低温下保持较高的活性，像丝藻和粘球藻这样的嗜冷菌，甚至必须要在环境达到一定冷的程度下才会显得活跃，而温度极低的地球南北两极和极深的海底，都陆续发现了这些嗜冷菌活动的迹象。

但是，我们不可避免地又要谈及火星上这一地下湖的特殊性。在零下60℃的温度下依然可以保持液态水的存在，这恐怕得益于这些液态水中所饱含的高氯酸盐了。对于生命来说，过高的盐分，就必须要面临渗透压所带来的脱水问题，地球上的绝大多数物种，它体液内的盐分含量总是接近0.9%浓度的生理盐水浓度，这或许是地球上现存生命的共同祖先曾经就诞生在类似这一浓度的海水中的一个证据。按照这个逻辑，如果火星上曾经诞生过生命的话，它体内的体液浓度也应该接近于原始火星上曾经存在的那片大洋的浓度。当那片大洋逐渐干涸，最终消退为南北极的两个冰盖时，在冰盖之下形成的液态湖的盐分浓度肯定已经远远的高过当时的海洋浓度了。

生命有可能在如此高的渗透压差下存活吗？对于绝大多数的生物来说，答案当然是否定的。许多生物连淡水与海水的渗透压差距都无法跨越，而在像死海这样高浓度的盐水湖，似乎已经是生命的禁区。然而凡事总有例外，微生物的表现再次超乎我们的想象！通过独特的逆转运蛋白，一些微生物的细胞表面形成了类似于排水泵的钠离子泵，还有的微生物可以在体内不断地积累钾离子，通过这种变相的方式，提升体内的浓度来缓冲与体外的渗透压差距……借助于这些精妙的结构，此类被统称为嗜盐菌的微生物，不仅可以在死海和其他地区的盐湖中繁衍生息，甚至在中国新疆和美国西部的盐矿中都可以存活！

生命的顽强令我们惊叹，但生命其实也异常脆弱。我们常说万物生长靠太阳，可对地球上的生命来说，最大的危险其实也来自于太阳——强烈的太阳风中所含的高能射线冲击会导致遗传基因的损坏，长期暴露在高强度辐射下的生命很容易出现癌变、畸形，甚至直接导致死亡。我们得以存活，完全依赖于地球强大的磁场和厚重的大气层的保护，而火星上已几乎完全消失的磁场和非常薄弱的大气层，显然是不足以阻挡这些辐射，即便这个湖泊之上有1.5公里厚的冰层，也无法完全替代磁场和大气的防护作用。

为了探究太阳辐射对生命的影响，国际空间站曾经单独设立过一个life生命实验室，这项实验的方式简单又粗暴——宇航员将培养有微生物的器皿安放在空间站的保护层之外，暴虐的太阳辐射直接照射在这些培养皿上，仅需要每隔一段时间观察一下培养皿中剩余微生物的数量，就可以直观地换算出阳光对生命的杀伤力。

而这也让我们最终认识到了一些微生物对辐射的强大抵抗能力！

有的微生物，通过细胞内富含的色素和氧化酶吸收辐射，甚至还有修复自己DNA的能力，其中的一种细菌，在被太阳辐射连续轰击18个月之后，依然活蹦乱跳。

如此说来，无论是暗无天日的地下环境，还是酷热或严寒的极端温度，甚至身处高浓度的卤水中，经历着高能太阳辐射的轰击，还是会有一些生命力异常顽强的家伙存活下来。从这个角度上说，火星的确曾经拥有，甚至现在还拥有适合生命存在的可能。

可要解答这个疑惑，仅仅依靠“可能”二字是不够的，像“火星快车号”这样的在轨探测器，它所携带的设备无法直接观测到生命迹象，想要寻求火星上是否存在过生命的直接证据，恐怕只有一个办法，那就是像当年我们探测南极洲冰下湖里的生命一样——将湖面上的冰层钻探开抵近观测。

不过要使用这样的方法，必须格外谨慎。关注天文探索的朋友们一定记得去年“卡西尼号”土星探测器的悲壮落幕。这颗为人类土星研究立下了汗马功劳的探测器，最终被安排主动撞击土星自毁。这完全是出于对两颗土星卫星的保护：由于土星的引力摄动环境非常复杂，燃料耗尽后的卡西尼探测器的长期轨道是无法预测的，它有可能成为土星的一颗人造卫星而长期停留在轨道上，也有可能在引力的干扰下一头扎入土星周边的卫星上，在这些卫星中，有两颗极为特殊，其一是土卫六泰坦，这颗卫星拥有浓密的大气层，而在它的地表之上，流淌着由液态甲烷构成的海洋和河流，另一颗卫星则是土卫二，这颗卫星的厚重冰层之下，是极为深厚的液态水海洋，它所拥有的水含量总量甚至远远超过地球。

在“卡西尼号”飞船发射的那个年代，还没有形成对地外探测器进行全面消毒杀菌的规范，“卡西尼号”飞船上有可能携带着地球上的这些能够耐受极端环境的微生物，而其中的一部分，在“卡西尼号”飞离地球二十多年后的今天依然可能存活，如果“卡西尼号”不幸陨落到土卫六或土卫二，又没有被大气层完全烧毁的话，这些微生物便有可能在这样相对适宜的环境中生根落叶。此外，“卡西尼号”所携带的燃料带有毒性，为探测器上的设备供电的核电池一旦破碎也会造成辐射污染，如果这两颗卫星上拥有原生生命，这都会对它们带来严重的威胁。

对于火星南极冰冠下的这个液态湖，我们也需要在对其进行研究的同时，确保不会对可能存在的生物带来伤害。实际上，在1999年，俄、法、英等国对地球南极冰盖下的沃斯托克湖进行研究的时候，为了润滑钻头而使用的含有煤油和氟利昂的润滑剂，就差点儿污染了这个冰封的地下湖中的水体，导致在钻探到离湖水还有150米厚度的时候，钻探一度被紧急叫停。

不难想象，在邻近星球上存在着生命的可能，对人类来说拥有何等重要的意义！这绝不仅仅是为了满足对未知领域的好奇心，更是源自哲学层面的需求——千百年来，无数的先贤仰望星空，发出叩问：在宇宙无垠的浩瀚中，我们是不是孤独的？我们并不知道遥远火星冰盖下的这一湖卤水能否帮我们解决这个问题，但探索的脚步绝不会止步于此，因为，外星生命的存在这一事实，不仅将在茶余饭后为我们津津乐道，它对认识生命、认识我们自己，也至关重要，意义深远。

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