火星之水

所有生物都需要水。自1971年以来，已经有9次任务成功登陆火星，目前有14颗卫星环绕火星运行。这些任务目前都没有在火星表面发现任何水或生命存在的证据。然而，这些任务已经在火星表面观测到结构(如河流流域)和含水岩石和矿物(如粘土)，这可能是水存在的证据。1］．科学家认为，数十亿年前，火星上有水。

火星由于大气的部分损失而失去了水分，但多亏了来自任务的数据，科学家们对早期火星的环境有了一些了解。科学家们认为，当水开始蒸发时，它变得咸了(至少是地球上海水的两倍咸)，并且富含硫，尤其是硫化物形式的硫。这就是让臭鸡蛋发臭的化学物质!我们还知道，地球上生命所需的关键元素(碳、氢、氮、氧、磷和硫;缩写为CHNOPS)都是在火星岩石和土壤中发现的。

如果火星上曾经存在过生命，那么它应该存在于水体中或水体附近，而这些潜在的火星生物可能已经留下了它们存在的证据。在我们向火星发射任务寻找生命的证据之前，我们需要知道我们应该寻找什么样的证据。这种准备工作非常重要，因为向火星发射任务非常复杂和昂贵。科学家们通过研究地球上与早期火星的水化学相似的环境来开始他们的准备工作。地球上没有一个环境是完美的，但有很多环境足够相似，足以让我们了解火星上的水，以及火星上是否曾经存在过生命。

加拿大高北极地区阿克塞尔海伯格岛上的色峰温泉系统就是这样一个环境(图1)，那里的水非常咸，含硫丰富。彩峰的平均气温为−20°C。在冬天，气温可低至零下40°C，但岛上的泉水因为含盐量高而从不结冰(就像在道路上撒盐以防止结冰一样)[2，3.］．我们从彩峰收集了沉积物和水样，并将它们低温保存，直到它们被送到英国的实验室。

我们用一种叫做电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)．ICP-OES的工作原理是通过加热水来产生等离子体(一种非常热的充满能量的气体)，并探测水中每种元素发出的特定颜色的光。利用美国宇航局“好奇号”火星车收集的火星表面地质数据，我们用计算机程序模拟了火星上古代水的化学成分。4］．预测的火星水的成分与彩峰水的成分惊人地相似。这意味着生活在色峰泉水中的细菌可以在类似火星上曾经存在过的条件下生存和生长。

彩峰水里生活着什么?

我们通过观察它们的脱氧核糖核酸(DNA)确定了生活在彩色峰泉水中的细菌。众所周知的DNA双螺旋结构是一种遗传密码，它指导细胞产生多种蛋白质，并调节这些蛋白质在细胞功能中的使用方式。有一个关键基因可以让我们识别生活在环境中的细菌:细菌16S rRNA基因．这种基因以一种相关但略有不同的形式存在于所有类型的细菌中，在细菌的复制和生长中起着关键作用。通过研究环境中的这种基因，我们可以识别出生活在那里的各种细菌。

然而，在我们研究这种基因之前，我们首先必须从样本中的细菌中提取(去除)DNA。要做到这一点，我们必须克服两个主要问题。首先，从细菌中提取DNA的标准方法是使用化学物质将细胞炸开，只留下DNA。彩峰水中的高盐含量导致其中一些化学物质以奇怪的方式发生反应，这意味着我们无法收集到任何DNA。其次，因为彩峰的水又冷又咸，数千年前死亡和破裂的细菌的DNA被保存了下来，我们无法将死亡已久的细菌的DNA与活着的细菌的DNA区分开来[5］．

为了克服第一个问题，我们用超纯水清洗样品，洗掉细菌中的盐分。为了解决第二个问题，我们研究了核糖核酸(RNA)和DNA。RNA是DNA的单链副本，细胞读取它来产生蛋白质。即使在寒冷和富含盐的条件下，RNA也会异常迅速地分解，因此在RNA和DNA中寻找16S rRNA基因有助于我们了解在采集样本时哪些细菌是活着的。使用这种方法，我们的研究揭示了生活在彩峰的大多数细菌属于一种叫做sulphur-oxidising细菌(哭泣)3.］．

这些结果对火星意味着什么?

SOB使用硫作为能源。鉴于彩峰水中含有大量的硫，在这种环境下，这是一种成功的生活方式是有道理的。古代火星的水也含有大量的硫，这意味着二氧化硫的主要能源是可用的。许多植物通过从空气中的二氧化碳中捕获碳来获取所需的碳，就像植物一样自养．在火星上自养也是一个很好的策略，因为火星大气中的二氧化碳含量很高(95,000 ppm，而地球上是415 ppm)。一些SOB也可以在没有氧气的情况下生长(火星上的氧气含量非常低)，而是可以使用氮基化学物质，称为硝酸盐，这种化学物质已经在火星的岩石中被检测到(图2) [6］．

在证明了SOB可以在彩峰水中茁壮成长，并知道生长所需的所有关键元素(CHNOPS)都存在之后，我们调查了我们模拟的火星水是否真的会支持细菌生长。这很重要，因为除了需要特定的元素外，SOB还需要产生足够的能量来生长。如果我们知道特定元素的浓度，我们就能计算出这些元素是否足够产生细菌所需的能量。用来计算能量的方程叫做吉布斯能量方程它是由科学家威拉德·吉布斯[8］．利用吉布斯能量方程，我们可以说SOB不仅会产生足够的能量来生长，而且它们也会成为只有可以在这些特定的水域中生长的细菌种类。我们的工作大纲载于图3．

这是一个非常令人兴奋的结果，因为SOB在生长过程中改变了当地环境的化学成分。这就产生了生命存在的证据，包括特定化学物质和矿物质的积累和形成，即使在细菌死亡很久之后，这些物质也可以作为生命存在的证据。9，10］．如果像SOB这样的细菌曾经在火星上生长过，那么SOB在地球上留下的那种证据很可能在火星上找到。

未来

我们研究了地球上的一种环境(彩色峰泉的含盐、含硫丰富的水)，这种环境被认为与早期火星(41 - 37亿年前)的环境相似。通过这项工作，我们能够更好地了解什么样的生命可能能够在火星上生存。通过结合微生物学、化学和建模，我们发现硫氧化细菌在北极泉水中茁壮成长，因此有可能在早期火星上生长。

就在我们写这篇文章的时候，两辆火星车(美国宇航局的毅力和中国航天局的Tianwen-1)最近登陆火星。理解这些任务获得的数据并确定火星上是否存在生命将需要许多年的时间，最终将由未来几代年轻的研究人员完成。我们很兴奋地认为，我们的工作和方法将有助于解决我们这个时代最大的问题之一:我们在宇宙中是孤独的吗?

术语表

CHONPS：↑碳，氢，氧，氮，磷和硫的缩写。它们被认为是生命的关键元素，因为它们占活细胞中所有分子的近98%。

电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)：↑一种科学技术，通过加热水来产生等离子体(一种热而有能量的气体)，并检测水中每种元素发出的光的颜色。

16S rRNA基因：↑该基因在细胞生长和复制中起作用。它以一种相关的形式存在于所有的细菌中，其序列上的差异可以用来鉴定细菌。

硫氧化细菌：↑一种从硫中获取能量的细菌。

自养：↑这是由简单物质(如二氧化碳- co)制造复杂化合物(如构成细胞的基本构件)的过程₂）.

吉布斯能量方程：↑这个方程可以用来计算一个特定的化学反应会产生多少能量。

利益冲突

作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。

---

原始来源

↑梅西，M. C.，福克斯-鲍威尔，M.，拉姆基松，N. K.，斯蒂芬斯，B. P.，巴顿，T.，施文泽，S. P.等，2020。硫化物氧化的鉴定作为一个潜在的代谢驱动初级生产的晚期火星诺亚。Sci代表．10:10941。doi: 10.1038 / s41598 - 020 - 67815 - 8

---

参考文献

[1]↑卡尔，m.h.，海德，j.w. 2010。火星的地质历史。地球行星科学．294:185 - 203。doi: 10.1016 / j.epsl.2009.06.042

[２]↑佩罗，N. N.，安徒生，D. T.，波拉德，W. H.，格里尔，C. W.和怀特，L. G. 2007。加拿大高纬度北极常年冷盐泉原核生物多样性的特征。应用环境微生物．73:1532-43。doi: 10.1128 / AEM.01729-06

[3]↑梅西，M. C.，福克斯-鲍威尔，M.，拉姆基松，N. K.，斯蒂芬斯，B. P.，巴顿，T.，施文泽，S. P.等，2020。硫化物氧化的鉴定作为一个潜在的代谢驱动初级生产的晚期火星诺亚。Sci代表。10:10941。doi: 10.1038 / s41598 - 020 - 67815 - 8

[4]↑布里奇斯，J. C.和施文泽，S. P. 2012。火星上的纳克里特热液盐水。地球行星科学．359 - 60:117 - 23所示。doi: 10.1016 / j.epsl.2012.09.044

［5］↑威勒斯列夫，E.，汉森，A. J.， Rønn, R.，布兰德，T. B.，巴恩斯，I.，威夫，C.等，2004。细菌DNA的长期持久性。咕咕叫杂志．14:13-4。doi: 10.1016 / j.cub.2003.12.012

[6]↑斯特恩，J. C.，萨特，B.，弗里斯尼特，C.， Navarro-González, R.，麦凯，C. P.，阿切尔，P. D.等。2015。来自好奇号火星车在火星盖尔陨石坑调查的沉积物和风成沉积物中原生氮的证据。美国国家科学研究院．112:4245-50。doi: 10.1073 / pnas.1420932112

[7]↑Mahaffy, p.r.， Webster, c.r.， Atreya, s.k.， Franz, H.， Wong, M.， Conrad, p.g.等。2013。好奇号探测车拍摄的火星大气中气体的丰度和同位素组成。科学。341:263-6。doi: 10.1126 / science.1237966

[8]↑麦科洛姆，2007年。超镁铁质深海热液系统中化学岩石自养代谢能来源的地球化学约束。天体生物学．7:933-50。doi: 10.1089 / ast.2006.0119

[9]↑巴特尔，M. M.，奥辛斯基，G. R.，班纳吉，N.， 2013。加拿大努纳武特的阿克塞尔海伯格岛的咸化常年冷泉矿物学及其对火星春季沉积物的意义。伊卡洛斯．224:364 - 81。doi: 10.1016 / j.icarus.2012.08.031

[１０]↑Pellerin, A.， Antler, G.， Holm, S. A.， Findlay, A. J.， Crockford, P. W.， Turchyn, A. V.等。2019。细菌硫化物氧化大硫同位素分馏。Sci副词．5: eaaw1480。doi: 10.1126 / sciadv.aaw1480