近年来，好奇号和毅力号在火星表面探测到了芳香族化合物，前人认为这些化合物形成于非生物的水岩反应中。然而，水岩反应实验目前也只能合成甲烷、甲酸和氨等小分子，地球上已发现的芳香族化合物均为生物相关成因。因此，我们提出火星上的芳香族化合物可能是微生物新陈代谢的产物，结合前期蛇纹石化反应形成甲烷、氨气等实验，我们提出了一种火星微生物新陈代谢的模型。
导读
探寻地外生命是研究生命起源的重要课题，其中关键一环就是探查太阳系中与地球最相似的火星。火星与地球同属类地行星，且火星表面曾经存在过广泛的水活动，具备潜在的生命存活条件。近年来，好奇号和毅力号火星车在火星表面分别发现了多种有机物存在的证据，为探寻火星表面生命提供了宝贵线索。
图1 毅力号火星车在Jezero陨石坑西侧沉积扇的探查路线
火星表面的有机物
自上世纪70年代以来，苏联、美国和中国已经向火星发射了超过20个火星探测器，以调查火星表面环境并探索可能的生命信号。早期探测器由于仪器技术落后和火星表面高氯酸盐的干扰并未检测到有机物。直至好奇号火星车（2012年着陆火星）改进了气相色谱质谱仪，在Gale陨石坑中发现了包括氯烷烃和芳香族化合物（即含苯环的有机物）在内的各种有机物。这是首次在火星表面原位探测到有机物。
无独有偶，Sharma等人利用毅力号火星车的原位拉曼和荧光光谱测量技术，在Jezero陨石坑中检测到了多种芳香族化合物（图1，图2a）。毅力号在Máaz地层和Séítah地层中均探测到了芳香族化合物，据估算其含量分别为约百万分之20和百万分之2。先前对于火星表面的研究表明，有机质主要与含水矿物（如蛇纹石、碳酸盐等）伴生，由此前人推断这些含水矿物通常在水岩反应中形成。因此，火星表面的有机质通常被前人解释为非生物水岩反应形成，例如蛇纹石化。然而，已有的水岩反应能否合成这些复杂的含苯环有机物尚未可知。
火星表面的水岩反应
时至今日，火星表面已经非常干燥。除两极部分地区明确存在固态水冰、可能存在液态水外，绝大部分地区已经缺乏水活动。但是，早期火星（约30亿年前）表面是明确存在水活动的。这些水活动深刻改造了火星表面地理环境，不仅形成诸多河谷和冲积扇，还残留下大量水岩反应的产物，即各种含水矿物如蛇纹石、硫酸盐和各种黏土矿物等（图2b）。
有关水岩反应合成有机物的研究是过去数十年的热点。然而，目前水岩反应实验只能合成一些简单小分子如甲烷、甲酸和氨。另一方面，地球上的芳香族化合物在自然界的主要来源是各种芳香植物。工业合成芳香族化合物则需要严格的条件，这些条件难以在火星表面形成。因此，火星表面的芳香族化合物无法靠简单的水岩反应合成，生物成因是最可能的途径。
图2 火星表面探测到的有机物（a）和水活动痕迹（b）
火星表面的微生物
一种可能的模型是，火星表面的水岩反应为微生物提供能量和基础物质。现在火星表面平均温度为-63℃，火星车目前也没有发现任何液态水。然而，火星地层的温度随着深度的增加而增加，液态水可能存在于火星两极的永久冻土层以下。这些水与（超）镁铁质岩石发生蛇纹石化，产生氢气。这些氢气进一步与二氧化碳、氮气反应形成甲烷、氨，这为化能异养型微生物的存活提供了基础营养物质。火星永久冻土层下方也有此类温暖潮湿的区域，可以支持类似嗜甲烷菌的微生物存活的生态系统，形成复杂的芳香族有机物（图3）。这一模型为深入探究火星表面是否存在生命这一重大科学问题提供了全新视角。
由于毅力号火星车探查的样品未能返回地球，无法进行详细的分析，因此尚不能断言火星表面一定存在微生物生命。对于火星生命的探查任重道远，还需要包括祝融号在内的更多的火星车来搜集更多的证据，并对回收样品进行更细致的分析。
图3 火星表面的微生物系统模型图
责任编辑
钟奇瑞 北京大学
程 鑫 南京大学
https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00162-0
本文内容来自Cell Press 合作期刊The Innovation 第五卷第六期发表的OUT-OF-THE-BOX文章“Microbial life under Martian permafrost layer” (投稿:2024-03-08；接收:2024-10-18；在线刊出:2024-10-21）。
DOI：https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100724
引用格式：Shang X., Huang R., and Sun W. (2024). Microbial life under Martian permafrost layer. The Innovation 5(6):100724.
作者简介
孙卫东 1966年12月出生，山东海阳人，国家杰出青年基金得主，万人领军人才。主持过基金委创新群体、重大项目、杰出青年基金、国家重点研发专项等项目。曾任综合大洋钻探计划技术工作组、国际大洋发现计划科学评估工作组中方代表、国际地球化学学会执委、戈尔德施密特奖评委、中国大洋钻探专家委员会委员。现任中国海洋湖沼学会常务理事、矿物岩石地球化学学会理事、Solid Earth Sciences主编、GCA, Journal of Oceanology and Limnology, Acta Geochimica副主编。
主要从事海洋地质研究。在海底火山岩地球化学、板块俯冲工厂、太平洋板块漂移历史、碳循环、氧逸度和海底热液矿床成矿机理等方面有重要贡献。共发表论文400余篇，其中第一/通讯作者（含共同通讯作者）SCI论文150余篇（含Nature论文 2篇，PNAS 1篇，Innovation 1篇，Nature Communications 3篇，Science Bulletin 8篇），SCI引用次数15000余次，入选Elsevier和ESI高引用率排名，全球前2%顶尖科学家榜单中同时入选“年度科学影响力排行榜”和“终身科学影响力排行榜”。
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期刊简介
The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球58个国家；已被151个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员，来自22个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2，2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。
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