编者按：“仰望星空 逐梦苍穹”，中科院之声与中国科学院紫金山天文台联合开设“天市垣”栏目，和大家一起聊聊最近天上发生的那些事儿。
引子：相信大家都曾见过地球上干涸的湖底、河床、旱季龟裂的大地（图1），但你一定没有想到类似的景象会出现在其他星球上吧？近日，科学家从好奇号火星车获取的图像数据中发现，位于盖尔陨石坑的沉积地层呈现出规则的六边形泥裂结构，与地球上河床干裂形成的多边形结构非常相似。火星上究竟发生了什么？火星真的是地球的姊妹星吗？
▲图1 旱季龟裂的大地。图源：pixabay
众所周知，火星是太阳系内与地球最相似的行星，也是未来人类最有可能实现星际移民的“第二家园”。从古至今，人类对这颗红色的星球充满了无限好奇与想象。无论是中国古代神话中的火神祝融，还是古希腊神话中盗取火种的普罗米修斯，都是古人对火星崇拜的体现。以1962年11月1日前苏联成功发射火星1号探测器作为开端，人类的火星探测历程已跨越一个甲子。各种火星探测器采集的科学数据，以及陨石样品的实验室研究正为我们一步步揭开这颗红色星球的神秘面纱。
在与火星相关的科学问题中，“火星上是否存在生命”无疑是最受瞩目的一个。1975年发射的美国海盗号（Viking）探测器的科学目标之一就是寻找火星上存在生命的证据，遗憾的是，并未在火星表面发现任何高级生命的痕迹。1996年《科学》（Science）杂志发表的一篇论文声称在陨石中观察到的微小碳酸盐结构可能是古老火星微生物的化石遗迹（图2）。虽然这一观点后来被证伪，但其巨大的新闻效应不仅挽救了美国宇航局当年即将被削减的预算，更是激发了全世界对探寻地外生命的热情，以至于包括一些科学家在内的“火星迷”们开始捕风捉影，不放过任何可能证明火星上存在生命的蛛丝马迹。一个典型的例子是，美国勇气号火星车拍摄的火星岩石曾被很多人解读为一名伸展手臂的火星女人（图3）。
▲图2 火星陨石ALH 84001（B）中发现的潜在生物标志物:（C）铁碳酸盐-磁铁矿-镁碳酸盐组成的玫瑰状集合体（三种矿物由内到外分别呈现橙色-黑色-白色）；（D）纳米级球状碳酸盐结构；（E）磁铁矿纳米晶体；（F）稠环芳烃有机物菲。图源：https://www.cambridge.org/core/blog
▲图3 假想火星人。图源：网络
时至今日，科学家公认的火星天体生物学（Astrobiology）的核心问题包括：寻找火星水的证据，探索火星环境的宜居性，探寻火星的生命信号，以及为人类登陆火星做准备等。火星上保存着大量与河流、湖泊、盆地甚至海洋相关的古老地貌（例如湖相沉积物、河流冲刷形成的砾岩、冲积扇和三角洲，古海岸线等，图4），同时存在多种含水矿物，据此可以推断早期（约40亿年前）火星表面存在长期流动的液态水。尽管如此，人们对早期火星水文气候的短期间歇性却知之甚少。近日，《自然》（Nature）杂志报道的一项研究成果，为早期火星的水文气候能够促进前生命（Prebiotic）化学演化提供了新的证据。
▲图4 火星古老地貌和含水矿物指示其早期存在长期流动的液态水。图源：NASA
好奇号火星车在对盖尔陨石坑数百米的沉积地层进行探测时发现，在基底含硫酸盐的地层单元中普遍存在以“Y”形相交的厘米级六边形图案（图5）。这些六边形在垂直方向上深达1分米以上，在水平面上显示出约1厘米的起伏，平均直径约为4厘米。作者通过实验证明，这种120°的“Y”形接触角只能通过新鲜泥浆的反复湿润-干燥的循环形成。与此不同的是，单次干燥形成的泥裂结构的接触角接近“T”形（图6）。根据沉积速率推算，这些反复的湿润-干燥的循环可能持续了数千年至数百万年。
▲图5 盖尔陨石坑的六边形泥裂结构。图源：NASA
▲图6 盖尔陨石坑红色泥岩层的“T”形泥裂结构。图源：Stein et al. 2018
这一发现的天体生物学意义在于干湿循环的环境是支持前生命化学演化必不可少的条件。由于干燥，水的活度降低，残留液体中可溶性组分的浓度增加，从而提高了化学反应速率。例如，由核糖和磷酸盐形成核苷酸的反应会生成水，因此在低水活度时更易发生。更重要的是，从核苷酸到RNA或DNA，从氨基酸到蛋白质的聚合反应必须经过脱水步骤，而干湿循环可以促进脱水。此外，盖尔陨石坑附近的粘土矿物（蒙脱石）可以通过离子交换紧密地吸附核苷酸，进而促进有机物的浓缩和聚合。在适当的环境下，达尔文所谓的“温暖的小池塘”可以促进大分子的聚合反应，而持续的干湿循环则能够促进化学演化的量变到生命起源的质变！更为重要的是，这样的过程不仅在盖尔陨石坑，在火星上其它地方也很有可能大面积地发生。
火星神秘六边形为我们揭示了38-36亿年前的火星诺亚纪-西方纪过渡期可能具有与现代地球相似的气候和行星表面环境，是前生命化学演化和生命起源的绝佳时机。这一发现为人类在火星上寻找可能的生命迹象提供了新的支持！放眼全球，火星探测和火星研究高潮迭起。随着获取的科学数据越来越多、越来越好，期待在不久的将来，人类能够彻底解开火星生命的谜团！
参考文献：
1. McKay D.S. et al. Science 273, 924-930 (1996).
2. Rapin W. et al. Nature 620, 299-302 (2023).
3. Stein, N. et al. Geology 46, 515-518 (2018).
来源：中国科学院紫金山天文台
