火星上曾有过生命吗？毅力号的 SHERLOC 激光探测微观线索

美国宇航局的“毅力号”火星车底盘上装有十多个摄像头（还首次配备了麦克风），但这款火星探测器的真正用途是一组传感器，工程师们亲切地称之为“炮塔”。毅力号使用一根长七英尺的机械臂，可以伸展和旋转近 100 磅重的仪器中心，将其敏锐的眼睛停在距离感兴趣的岩石仅几英寸的地方。在那里，它可以发现直径只有几十微米的沙砾特征，这些特征对于人类来说太小了。

美国宇航局喷气推进实验室 (JPL) 的 SHERLOC 首席研究员卢瑟·比格尔 (Luther Beegle) 表示，该炮塔的主要科学仪器 PIXL 和 SHERLOC 共同充当岩石分析的阴阳，以独特但互补的方式收集数据。经过数十年的头脑风暴，这两个传感器将共同搜寻美国宇航局确定的最普遍的“生物特征”或生命迹象。

“如果杰泽罗陨石坑（毅力号着陆的地方）有潜在的生物特征，我们就会找到它们，”比格尔说。“我们会把它们带回地球。”

从最高层次来看，PIXL 和 SHERLOC 的工作方式类似。它们用细如人发丝的高能光束来回扫描石头表面，并利用反射回来的光生成岩石的图像。PIXL 利用 X 射线观察简单的原子元素，如铁或镍，而 SHERLOC 使用紫外线激光绘制岩石更复杂的成分，即其矿物质和有机分子。

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SHERLOC 的激光以两种方式与岩石碎片相互作用。在一种称为荧光的现象中，在紫外线照射下，一些分子吸收某些光频率，并发射出不同频率的光。两者之间的差异告诉研究人员他们正在观察哪种类型的分子。

该仪器还可以利用拉曼光谱识别特定的化学连接，例如碳原子与氧原子之间的连接。有些分子比其他分子振动或伸展得更快。当 SHERLOC 用紫外线激光照射岩石时，一些光粒子（每十亿个中只有一个）会撞进颤动的分子，损失一些能量，然后反弹回 SHERLOC。根据损失能量的具体量，研究人员可以区分不同的分子。

通过这两种技术，SHERLOC 将能够找出特定的有机分子，也就是富含碳的分子。地质和化学过程可以产生这些化合物，但它们对于构建蛋白质、DNA 和细胞也是必不可少的。“基本上，生命就是一小袋碳，”Beegle 说。

SHERLOC 的拉曼功能（火星上任何仪器的首创）还可以挑选出矿物质和化学键，这将有助于阐明特别有趣的岩石的背景故事。例如，一堆含有氢的矿物质暗示这些分子是在水（H2O）存在下形成的，这使得该样本更有可能含有过去生命的迹象——相比之下，在灼热的火山中形成的岩石含有的氢要少得多。

当前版本的 SHERLOC 的设计和建造始于 2012 年，但 Beegle 将该仪器的起源追溯到 1996 年的一项发现，该发现震撼了新兴的天体生物学领域。研究人员在研究在南极洲发现的火星陨石时，发现了看起来像微生物化石的东西。后来出现了其他非生物学解释来解释这些奇怪的形状，但最初区分生命和非生命的困难敲响了警钟。

“这是社区第一次说‘我们不知道我们是否真的知道如何做到这一点’，”比格尔说。

JPL 内部征集了能够完成该组织所称的“重大挑战”的仪器提案，即寻找外星生命。该竞赛的获胜设计之一是 SHERLOC。

喷气推进实验室的天体生物学家得出结论，关键不是关注特定的形状或陆地物种常见的化学反应，而是关注所有已知生物共同拥有的一个一般特征：聚集的倾向。

塑造行星的非生物力量——例如深海喷口、火山、陨石撞击、宇宙射线、风和侵蚀——会分解物质并将它们散播到各处。但生命会将资源集中起来——在多个层面上。例如，体内富含碳的氨基酸的密度比体外高。纽约市的人口比南极洲多得多。研究人员在地球上的任何地方都能发现生物聚集在资源周围，与分散资源的力量作斗争。

“生命想要聚集在可以进食和生存的地方，”毕格尔说道，“我们认为火星上就会发生这种情况。”

没人知道火星上的远古生物可能长什么样，如果它们真的存在过，它们会如何表现。但喷气推进实验室的研究人员怀疑，这些难以解释的矿物、有机分子和元素模式可能是进一步研究的有希望的样本。

如果“毅力号”发现生命的迹象，对其进行解读将需要仪器和研究人员的共同努力。

Mastcam-Z 将拍摄全景图，帮助研究人员辨别方向，这样他们就能分辨出他们正在观察的是干涸的溪流中的石头、早已消失的火山口还是干涸的河流三角洲。

然后，转塔将引入 SHERLOC 和 PIXL，以近距离绘制岩石元素、矿物质和有机分子的地图。转塔的双仪器可以辨别小至 30 到 40 微米的特征。这种分辨率足以识别生物组装的分子团块，但不足以看到实际微生物化石，这些化石可能小至一微米。

即使确实如此，研究人员也不想浪费毅力号的数天时间逐微米扫描一块岩石以寻找可能稀有的化石。“这就像大海捞针，在一个满是干草堆的星球上，”比格尔说。

这一级别的分析将在 2030 年代初实现。当毅力号遇到 SHERLOC 和其他仪器认为特别有希望的岩石时，火星车可以将样本储存在试管中，以便未来的任务取回。回到地球，目光敏锐的研究人员将使用强大的显微镜，就火星是否曾存在过生命给出更明确的答案。

对于比格尔来说，无论这些研究发现什么，它们都是值得等待的。“这是一个很棒的问题。它将帮助我们弄清楚我们在宇宙中的位置，”他说。“生命无处不在吗？还是生命真的很稀少？”