天體生物學(xué)(astrobiology)，是對(duì)宇宙中生命的起源、演化、分布和未來的研究。美國宇航局（NASA）成立后將之確定為一項(xiàng)核心研究內(nèi)容。1960年，NASA建立了“地外生命計(jì)劃”（ Exobiology Program），在那個(gè)太空探索事業(yè)快速發(fā)展的年代中，NASA向地球軌道乃至更遠(yuǎn)的太空發(fā)射了大量的探測(cè)器，為天體生物學(xué)的誕生創(chuàng)造了條件。NASA已經(jīng)探索了太陽系中的很多地方，本文將重點(diǎn)關(guān)注對(duì)地外生命和天體生物學(xué)最重要的一個(gè)目的地——火星。

在太空時(shí)代開啟之初，火星完全是一個(gè)謎.如今半個(gè)世紀(jì)過去，太空探索已經(jīng)揭示了火星在曾經(jīng)有過一段更像地球的時(shí)光。但是，還有很多問題沒有得到解答。遠(yuǎn)古的火星是什么樣的？火星表面曾經(jīng)有過液態(tài)水嗎？很久以前，火星可能曾經(jīng)有過生命嗎？

火星任務(wù)的歷史，由艱苦的努力和輝煌的勝利交織而成。造訪火星是非常危險(xiǎn)和困難的。該行星的極端環(huán)境包括極寒的溫度、極具破壞力的塵暴、低重力和稀薄的大氣。很多火星任務(wù)都以失敗告終。不過，那些僥幸成功的任務(wù)已經(jīng)給我們提供了關(guān)于火星潛在宜居性的驚人證據(jù)。而NASA即將發(fā)射的迄今最野心勃勃的探測(cè)器——火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（注：即今天成功成功登陸火星的“好奇號(hào)”），則無疑將開啟天體生物學(xué)研究的新紀(jì)元。

一、 研究肇始

1960年代，NASA新啟動(dòng)的地外生命計(jì)劃吸引了很多優(yōu)秀科學(xué)家的目光。在那十年中，NASA著力推進(jìn)著其月球計(jì)劃，并建造了分析月球樣本和隕石等宇宙中的物質(zhì)的儀器；而地外生命學(xué)家已將目光投向了更遠(yuǎn)的地方，離我們最近的兩顆行星——金星和火星。

NASA水手計(jì)劃（Mariner program）的第一次成功任務(wù)，來自1962年的水手2號(hào)，它令我們首次得以對(duì)金星近距離觀察。美國宇航局局長詹姆斯?韋伯這樣評(píng)價(jià)水手二號(hào)的成功：“它給人類對(duì)金星的認(rèn)識(shí)帶來的提高比有記載以來的幾千年歷史中的總和還要多?！?/P>

1965年7月14日，水手四號(hào)成為第一艘近距離探索火星的航天器。它辨認(rèn)出了水可能曾經(jīng)在火星表面流淌的地質(zhì)證據(jù)。1967年水手五號(hào)再次前往金星?？茖W(xué)家們?cè)?jīng)相信金星可能支持生命，但水手二號(hào)和五號(hào)對(duì)金星極端惡劣條件的觀測(cè)，進(jìn)一步坐實(shí)了一個(gè)結(jié)論：火星是更好的尋找生命之地。

我們對(duì)火星的認(rèn)識(shí)通過1969年的水手六號(hào)和七號(hào)得以加強(qiáng)，這兩個(gè)航天器對(duì)火星表面20%的面積進(jìn)行了測(cè)繪，提供了該行星很多獨(dú)特特征的高清晰圖像。1971年的水手九號(hào)是第一艘進(jìn)入其他行星軌道運(yùn)行的航天器，它測(cè)繪了火星表面的80%。這一任務(wù)真正揭開了火星的面紗，顯示出這一行星地質(zhì)史的驚人細(xì)節(jié)，包括火山、峽谷、隕石坑及河床。水手九號(hào)最先發(fā)回了水手谷（Vallis Marineris）等地標(biāo)的圖像，這一大峽谷正是為紀(jì)念該航天器而命名的。

[水手六號(hào)和七號(hào)是雙生子，它們都長這個(gè)樣]

該計(jì)劃的最后一個(gè)任務(wù)，1973年的水手十號(hào)，沒有訪問火星，但展現(xiàn)了接下來的很多太空任務(wù)可能用到的新技術(shù)。水手十號(hào)是首個(gè)造訪多顆行星的航天器，還第一次利用了“行星引力輔助”技術(shù)，即利用一顆行星（金星）的引力來加速到足夠的速度，以訪問第二顆行星（水星）。

蘇聯(lián)也將視野投向了火星，火星二號(hào)（1971年）、火星三號(hào)（1971年）和火星五號(hào)（1973年）（Mars 2/3/5）任務(wù)都將航天器駛?cè)肓嘶鹦擒壍?。盡管每次都遭遇很多困難，這些航天器還是給出了關(guān)于火星表面和大氣環(huán)境的一些數(shù)據(jù)。（編者注：詳情可參考維基的“火星計(jì)劃”詞目。）

[蘇聯(lián)為紀(jì)念火星一二三號(hào)發(fā)行的郵票]

二、 海盜雙子

早在1959年，NASA就開始研發(fā)探測(cè)生命的儀器?；鹦呛芸斐蔀閼?yīng)用這一技術(shù)的首選之地。早期對(duì)火星的關(guān)注導(dǎo)致了地外生命和天體生物學(xué)史上最偉大的里程碑之一：1976年兩艘海盜號(hào)（Viking program）航天器在這顆紅色星球表面著陸。

[著名科普作家卡爾·薩根與海盜號(hào)著陸器模型]

NASA的海盜號(hào)孿生任務(wù)于1975年發(fā)射，是截至當(dāng)時(shí)NASA最具野心的行星探索努力。海盜一號(hào)和二號(hào)任務(wù)都同時(shí)把一個(gè)著陸器和一個(gè)軌道飛行器發(fā)往了火星。每個(gè)著陸器肩負(fù)著14個(gè)實(shí)驗(yàn)，包括一組專為搜尋火星生命跡象的調(diào)研。

1961年，NASA官方邀請(qǐng)英國科學(xué)家詹姆斯?拉夫洛克（James Lovelock），一個(gè)生命探測(cè)技術(shù)專家，來美國空間計(jì)劃工作。他在生命探測(cè)實(shí)驗(yàn)方面有很多想法，參與了1965年一顆火星探測(cè)器的早期設(shè)計(jì)。他曾說，“我的童年是由儒勒?凡爾納（Jules Verne）、奧拉夫?斯塔普雷頓（Olaf Stapledon）等科幻作家的作品裝點(diǎn)的，因此我非常高興能有機(jī)會(huì)親自參與討論研究火星的計(jì)劃?！?/P>

拉夫洛克對(duì)搜尋生命有一套有意思的想法，他并不青睞傳統(tǒng)的辨認(rèn)細(xì)胞中的DNA等物理結(jié)構(gòu)的思路，更傾向于利用基于細(xì)胞的生物反應(yīng)來搜尋生命的方法，。他說，“我們必須注意，要擺脫“地球中心”思想，（要搜尋生命跡象）我們必須尋找熵減現(xiàn)象?！?他把行星地球看做一個(gè)整體的生態(tài)系統(tǒng)，并且開始與卡爾?薩根（Carl Sagan）、戴安?希區(qū)柯克（Dian Hitchcock）和諾蒙?霍洛維茲（Normon Horowitz）等人討論這一觀點(diǎn)。

拉夫洛克在NASA的工作定義了海盜號(hào)上的生命探測(cè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路。這些實(shí)驗(yàn)是把收集來的火星土壤樣本澆上水，以監(jiān)測(cè)任何微生物生長的跡象。火星大氣的主要成分是二氧化碳，只有痕量的水蒸氣。這個(gè)發(fā)現(xiàn)給拉夫洛克和他的同事，喬治?何比（George Hobby）和杰瑞?哈巴德（Jerry Hubbard）以啟示，來設(shè)計(jì)一個(gè)能夠在這樣一個(gè)干燥的行星上搜尋生命的儀器。這就是“熱解釋放實(shí)驗(yàn)儀”。

而霍洛維茲對(duì)火星的新理解驅(qū)使他和他的同事在地球上那些類似火星的不適宜生存的環(huán)境中測(cè)試海盜號(hào)的設(shè)備并搜尋生命，這些地方包括南極洲的干谷（Dry Valleys）和智利的阿塔卡瑪沙漠（Atacama Desert）。吉爾?列文和沃爾夫?威史尼亞克等科學(xué)家也開始用來自南極干谷的土壤測(cè)試。當(dāng)威史尼亞克在霍洛維茲及其同事認(rèn)定是無菌的土壤中探測(cè)到了微生物時(shí)，火星上潛在生命的問題就更加復(fù)雜了。

因此，即使是海盜號(hào)尚未發(fā)射，該任務(wù)就已經(jīng)激勵(lì)了地球上生物的研究。科學(xué)家們努力發(fā)展出“生命”的基本定義，以使自己知道，該在火星上尋找什么。

霍洛維茲曾就此表示，“事實(shí)是我們并沒從火星上學(xué)到什么——比起金星來說——除了它是一個(gè)可能找到生命的地方以外?！薄爱?dāng)然，在火星上的平均條件下，沒有什么我們已知的地球生物能夠存活——除非是在休眠狀態(tài)——但是如果我們承認(rèn)一種可能性：火星可能曾經(jīng)擁有更加適宜生命存在的條件，只不過后來逐漸變得像現(xiàn)在這樣惡劣的，并且如果我們接受生命可能在這樣一個(gè)早期階段產(chǎn)生，那么我們就不能排除火星生命成功地使自身適應(yīng)了環(huán)境變遷并存活至今。我們對(duì)于找到這樣的結(jié)果并沒有多樂觀的預(yù)期，然而一旦得到正面的答案，那將是非常重要的，將會(huì)極大地推動(dòng)地外生命搜尋事業(yè)的前進(jìn)?！?/P>

1969年12月，NASA挑選出海盜號(hào)將裝備的實(shí)驗(yàn)，其中包括霍洛維茲的熱解釋放實(shí)驗(yàn)，列文的同位素標(biāo)記釋放試驗(yàn)，沃爾夫?威史尼亞克用來探測(cè)微生物的“沃爾夫陷阱”（ Wolf Trap）和大山的氣體交換實(shí)驗(yàn)。威史尼亞克，約書亞?里德伯格（Joshua Lederberg），麻省理工的亞歷山大?里奇和哈羅德?克萊恩被指派負(fù)責(zé)將這些生命探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置集成到著陸器的體內(nèi)，不幸的是，由于設(shè)計(jì)困難和有限的容積，后來沃爾夫陷阱被移除了。

作為該生物實(shí)驗(yàn)包的補(bǔ)充，海盜號(hào)著陸器還會(huì)攜帶微縮氣體色譜儀和質(zhì)譜儀（GC/MSs），該儀器是由由麻省理工的克勞斯?別曼（Klaus Biemann）以及地外生命科學(xué)家萊斯利?歐格爾（Leslie Orgel）和約翰?奧羅（John Oró）設(shè)計(jì)的。這些設(shè)備將會(huì)分離有機(jī)成分并且通過分子量對(duì)其進(jìn)行辨認(rèn)。氣體色譜儀和質(zhì)譜儀被認(rèn)為是海盜號(hào)上最重要的設(shè)備，因?yàn)榧词鼓切┥飳?shí)驗(yàn)給出負(fù)面的結(jié)果，氣體色譜儀和質(zhì)譜儀也能找到有機(jī)分子，那將會(huì)證明這些樣本中可能有細(xì)胞。人們還期待著火星上的有機(jī)分子成為其自身形成的化學(xué)和物理環(huán)境的靈敏的指標(biāo)物，并希望其結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)將會(huì)說明在眾多可能的生物和非生物作用中，到底哪些真的發(fā)生了。

1976年7月20日，阿波羅11號(hào)登陸月球之后的七年，海盜一號(hào)著陸器在火星上的克利斯平原（Chryse Planitia）著陸。在9月3日，海盜二號(hào)在烏托匹亞平原（the plain of Utopia）附近著陸。

為了防止對(duì)火星的污染，海盜號(hào)著陸器是在一個(gè)特別的超凈間組裝的，在干熱中烘烤以便殺死其上的一切微生物，并且直到登陸火星都一直保持與外界隔絕。著陸器上的照相機(jī)揭示了一個(gè)與地球迥異的地表——但它比起月球卻是更加似曾相識(shí)。海盜號(hào)地表攝影組組長托馬斯?馬遲（Thomas Mutch）說：“這真是難以置信的景象……”海盜號(hào)項(xiàng)目經(jīng)理杰拉德?索芬（Gerald Soffen）對(duì)這一歷史性的登陸評(píng)價(jià)道：“我們創(chuàng)造了歷史：火星從此成為了一個(gè)實(shí)實(shí)在在的地方。它從一個(gè)詞語，一個(gè)抽象的概念，變成了一個(gè)實(shí)實(shí)在在的地方！”

7月28日，海盜一號(hào)著陸器的機(jī)械臂鏟了一鍬土，深約5厘米，并將樣本送入了生物實(shí)驗(yàn)裝置和氣體色譜儀和質(zhì)譜儀。

[火星人當(dāng)心，海盜來了！]

全世界都在關(guān)注海盜號(hào)攜帶的實(shí)驗(yàn)儀傳回的結(jié)果。那段時(shí)間，科學(xué)家們必須奮力工作，全世界都在關(guān)注其科學(xué)進(jìn)展。傳媒和公眾熱切渴望其信息。研究人員發(fā)現(xiàn)自己時(shí)常工作在壓力和睽睽眾目之下，以至于科學(xué)家抱怨道，“我們都不大適應(yīng)——我們仿佛是在魚缸里面工作而周圍人都在圍觀，仿佛我們倒成了實(shí)驗(yàn)對(duì)象?！?/P>

一開始，所有的生物實(shí)驗(yàn)都顯示出樣本中具有生命活動(dòng)的證據(jù)，熱解釋放實(shí)驗(yàn)給出與光合作用正在發(fā)生相吻合的讀數(shù)，但是這一最初結(jié)果并沒有重現(xiàn)。氣體釋放實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)火星土壤中的氧氣釋放，但是很多科學(xué)家認(rèn)為這個(gè)結(jié)果看起來更像是化學(xué)反應(yīng)而不是生物反應(yīng)。同位素標(biāo)記釋放實(shí)驗(yàn)給出了最強(qiáng)的信號(hào)，它探測(cè)到可能是微生物新陳代謝產(chǎn)生的二氧化碳。氣體色譜儀和質(zhì)譜儀實(shí)驗(yàn)則認(rèn)為火星上不存在有機(jī)體。

這些結(jié)果是未曾預(yù)料的，和充滿疑點(diǎn)的。有些科學(xué)家認(rèn)為用化學(xué)就能解釋海盜號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是也有人認(rèn)為還是有可能是火星上生命造成的。有人當(dāng)時(shí)對(duì)此評(píng)價(jià)說，“這就像是一場(chǎng)比賽，現(xiàn)在結(jié)果已經(jīng)出來了：火星上沒有有機(jī)體，沒有生命。”

更多的科學(xué)家開始研究這些結(jié)果，然而隨著更多的測(cè)試，更多的問題被提了出來。有些結(jié)果被認(rèn)為是“化學(xué)的”，而有些被認(rèn)為是“生物的”。到了1979年，大多數(shù)科學(xué)家都認(rèn)為化學(xué)解釋是更可能的。一名科學(xué)家評(píng)價(jià)道，“有的人比另一些人更青睞生命存在的可能性，而我認(rèn)為使我們團(tuán)結(jié)在一起工作的是這個(gè)問題本身的重要性，甚至包括否定的答案的重要性?！?/P>

經(jīng)過所有的這些投注在海盜號(hào)上的時(shí)間和努力，在很多問題仍未得到解答的情況下，天體生物學(xué)將走向何方？海盜號(hào)并沒有找到確鑿無疑的火星生命跡象，但它促使人思考，我們是否進(jìn)行了正確的實(shí)驗(yàn)。天體生物學(xué)至今仍在試圖回答這一問題。