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    火星土壤是否太干燥而无法维持生命?

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      普朗克

      我们所知道的生命需要水才能生成繁荣。即便如此,我们看到生命仍然存在于地球上最干燥的环境中。但是干燥是太干燥了?在什么程度上,一个极端的环境对微生物——生命形式中最微小、最具弹性的微生物——来说都是无法生存的?这些问题对于寻找地球以外生命的科学家来说很重要,包括在火星上。为了回答这个问题,美国国家航空航天局(NASA)位于加州硅谷的艾姆斯研究中心(Ames research Center)的一个研究小组前往地球上最干燥的地方:智利的阿塔卡马沙漠(Atacama Desert),这是南美洲西海岸一条1000公里长的狭长地带,阿塔卡马沙漠是地球上最靠近炙热的火星表面的环境之一。但阿塔卡马并非都是干的,当从智利中部相对不太干燥的南部沙漠向智利北部极度干旱的中心移动时,每年的降水量从每年几毫米变为每十年只有几毫米。

      火星土壤是否太干燥而无法维持生命?

      研究人员从智利的阿塔卡马沙漠表面采集样本,这些样本深入地面几厘米。图片:NASA Ames Research Center

      这种不均匀的干燥环境提供了一个寻找降水量减少的生命的机会。通过确定一个环境需要适宜居住的水量,即能够支持生命形式,研究小组就能够确定是否存在可居住性的干旱极限。艾姆斯大学的天体生物学家玛丽·贝斯·威廉(Mary Beth Wilhelm)说:在地球上能到处都能找到微生物生活的证据。然而在极端的环境中,重要的是要知道微生物是否处于休眠状态,只是勉强生存,还是真的活得好好的。生物学家把能生长和繁殖的东西定义为活的。如果微生物仅仅是存活或执行一些基本功能,它们将在一代之内死亡,而不会传递任何遗传信息。在寻找火星上生命的潜力时,科学家需要看到这种繁殖,这将导致生命数量增长和下一代的基因变化。通过研究微生物是否以及如何在地球上极其干燥的地区存活,我们希望能够更好地了解火星是否曾经有微生物,以及它是否能够存活到今天。

      压力的标志是生命的标志

      科学家们有一些工具来确定一个样本是在生长还是在存活。一个重要的迹象是压力。在像阿塔卡马这样的极端沙漠中生活足够长的时间来生长和适应——或者在火星上——不是一件容易的事。如果生命在极度干燥的环境中生长,就会有压力,而蛰伏的生命则不会存活。因为休眠的生命甚至不能尝试生长或繁殖,所以没有压力标记,比如某些细胞分子结构的变化。天体生物学家可以通过寻找这种压力的一些迹象来寻找干旱土壤中生长的证据。科学团队从阿塔卡马沙漠的另一边收集了土壤样本,并将它们带回了他们在艾姆斯的实验室。

      火星土壤是否太干燥而无法维持生命?

      这张阿塔卡马沙漠的地图显示了从沙漠一端到另一端的年降水量变化。所提到的干旱指数是基于年降雨量和水量损失的值。图片:NASA Ames Research Center

      在那里通过观察所有已知生物的共同特征,进行测试,以识别样本中的压力标记。一种压力标记可以在脂类中找到,脂类是构成活的微生物细胞外表面的分子,被称为细胞膜。当细胞暴露在压力环境下,它们的脂质会改变结构,变得更加坚硬。科学家们在阿塔卡马不太干燥的地方发现了这个标记,但在最干燥的地区却神秘地丢失了它,那里的微生物应该受到更大的压力。基于这些和其他的结果,研究小组认为,在微小的水量仍然足以维持生命生长的地方和环境如此干燥的地方之间存在着一条过渡线,以至于在阿塔卡马的表层土壤中,微生物无法生长,只能存活。

      与生命的遗迹约会

      科学家可以通过研究一种叫做氨基酸的分子来判断细胞死亡的时间,氨基酸是蛋白质的组成部分。这些氨基酸的结构有两种形式,每一种都是另一种的镜像,就像一对手。事实上,“利手性”是科学家用来描述这些结构的术语。地球上所有的生命都是由“左手”氨基酸分子构成的。然而当一个细胞死亡时,它的一些氨基酸会以已知的速度转变为反射性的“右旋”结构,多年后最终平衡为50%对50%。通过在最干燥的阿塔卡马土壤中观察这个比例,科学家们发现那里的微生物已经死亡了至少一万年。即使是发现如此古老的生命遗迹也极为罕见,对于地球表面的一个样本来说也是令人惊讶的。

      准备去火星

      火星甚至比阿塔卡马最干燥的地方还要干燥1000倍,这使得我们所知的微生物在火星表面存在的可能性更小,即使有一些水源。然而,即使是在智利沙漠最干旱的地区,阿塔卡马沙漠历史上从潮湿年代遗留下来的微生物的遗迹也清晰地存在着,并保存了数千年。这就意味着,因为科学家们知道火星在过去是一个更湿润、更有活力的星球,所以远古生命的痕迹可能仍然完好无损。在我们去火星之前,可以像使用自然实验室一样使用阿塔卡马,根据我们的结果,调整对到达火星后可能发现的结果的预期,知道今天的火星表面可能太干生命成长,但这痕迹的微生物可以持续几千年来帮助我们设计更好的仪器不仅寻找生命,在地球的表面,但试图解开远古的秘密。


      博科园-科学科普|参考期刊:天体生物学|研究/来自:美国宇航局

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