火星岩石中发现大量复杂碳物质 起源尚不明朗

美国国家航空航天局（NASA）的“毅力号”（Perseverance）火星车在耶泽罗陨石坑（Jezero Crater）已经工作了五年，一直在寻找数十亿年前火星上各种地质或化学过程遗留下来的“化学脚印”。此前，它已在多块岩石内部发现有机碳，但都需要通过钻孔或磨蚀才能暴露出来。而最新结果显示，在一处古河道边缘名为内雷特瓦山谷（Neretva Vallis）的露头地区，“毅力号”直接在裸露岩石表面探测到复杂的大分子碳。

负责此次研究的首席作者、美国亚利桑那州图森市行星科学研究所（Planetary Science Institute）研究员阿什莉·E·墨菲（Ashley E. Murphy）表示：“据我们所知，这是迄今为止在火星表面最浅层位置探测到有机物的案例。”在地球上，如此丰富且呈大分子形态的碳物质通常暗示其具有生物来源。然而，这块被命名为“明亮天使”（Bright Angel）的岩石上究竟是什么样的碳、又从何而来，目前仍无法下结论，要想真正弄清答案，恐怕需要把样本带回地球实验室。

紫外拉曼仪器锁定“大分子碳”信号

这次发现的关键在于“毅力号”机械臂上的紫外拉曼光谱仪——SHERLOC，其全称为“扫描宜居环境紫外拉曼与荧光有机和化学分析仪”（Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals）。该仪器会发射深紫外激光照射目标，再分析反射光在能量上的微小偏移，由此识别特定化学键的存在。

在第1180至1218个火星日（sol）之间，“毅力号”将紫外激光分别指向“明亮天使”区域的四个观测点。其中一块名为“蒸汽船山”（Steamboat Mountain）的岩石被视作普通岩石，用于作为对照样本。另外三块岩石分别命名为“切亚瓦瀑布”（Cheyava Falls）、“阿波罗神殿”（Apollo Temple）和“瓦尔哈拉林地”（Walhalla Glades），其光谱信号都显示存在大分子碳。这一信号被称为“石墨带”（graphitic band，简称G-band），其特征是由大量还原态碳原子交联成的复杂网络，具有较强的化学和热稳定性，不易分解。

在“毅力号”仪器精度范围内，这种物质与地球上的油母质（kerogen）颇为相似。不过研究团队刻意避免使用“油母质”这个术语，因为在地球上，油母质几乎完全源于生物物质，主要是被埋藏数百万年的微生物遗骸。墨菲解释说：“‘油母质’这个词带有明显的生物来源（biogenic）含义，而我们更希望用‘大分子碳’，表示其来源尚不确定，既可能是生物过程，也可能是非生物过程。”团队特别强调，目前在火星岩石上发现的大分子碳，完全有可能由非生命过程产生。

排除“仪器假象”和“污染乘客”

在如此敏感的探测工作中，一个异常结果通常会引出两个首要问题：这是不是仪器自身的伪信号？这会不会是从地球带去的污染物？研究团队也按照这一思路逐一排查。

首先，科学家担心探测到的信号源自SHERLOC自身的熔融石英前窗，而非岩石表面。值得注意的是，“明亮天使”是SHERLOC在出现防尘盖故障后首次进行科学观测的地点。由于对焦机构被迫停用，团队不得不采用新的工作模式。为确认新模式下的性能，SHERLOC副首席研究员、美国喷气推进实验室（JPL）的凯尔·乌克特（Kyle Uckert）及同事在地面实验室对备用飞行光学件进行光谱测试，并在火星上对空白区域和已知标定靶进行了反复观测，以验证仪器运行是否正常。

最后的确认来自“蒸汽船山”这一对照目标。乌克特表示：“附近其他岩石目标并未出现G-band光谱信号。”这说明“明亮天使”岩石上的石墨带信号并非来自仪器硬件，而是确实与特定岩石表面的物质有关。

第二个问题是污染风险：这些有机物会不会是火星车从地球带来的“搭便车者”？科学家指出，“毅力号”用于磨蚀岩石表面的钻头在发射前已经经过严格灭菌处理，且此前在耶泽罗陨石坑多处岩石上使用时，从未出现如此强烈的G-band信号。更关键的是，“切亚瓦瀑布”这块岩石从未被任何硬件直接接触，火星车仅通过氮气喷吹清除其表面尘土。对照岩石“蒸汽船山”再度显示空白——没有任何有机物光谱证据。乌克特强调：“它的光谱中不含有机物的证据。”综合这些排除步骤，团队认为“明亮天使”岩石上的大分子碳信号更大概率是火星本地物质，而非地球污染。

不同矿物伴生 暗示多次“碳封存”事件

在基本确认信号真实可靠之后，研究团队进一步分析这些大分子碳附近的矿物组合，希望借此推断碳物质的形成与富集过程。墨菲指出：“这些伴生化学环境暗示，碳的填入可能在地质历史上至少经历了两次不同事件。”

在“阿波罗神殿”岩石上，大分子碳信号与碳酸盐和硫酸盐矿物相互集中——这些矿物通常是水在较老岩石内部流动并在孔隙中沉淀的产物。而在“瓦尔哈拉林地”岩石上，大分子碳则分布在富硅碎屑沉积物中。墨菲认为，这种差异很可能意味着至少两个封存窗口：第一次，是有机物在古老湖泊底部随泥质沉积一起埋藏进岩石；第二次，则是后期地下水在这些已埋藏岩石中再次流动，将新的碳酸盐和硫酸盐矿物连同碳物质一起留在原位。

不过，关于“明亮天使”岩石上的碳是否真是古代火星生命遗迹，这一关键问题短期内仍会悬而未决。乌克特表示：“‘毅力号’的科学载荷设计目的，并不是直接区分非生物过程与生物过程，而是要在火星上识别最有价值、最具指征意义的岩石样本，为未来可能的样本回收任务做准备。”

需要地球实验室给出更明确答案

“毅力号”项目首席科学家、JPL研究员凯文·P·汉德（Kevin P. Hand）指出，尽管当前仪器已相当先进，但与地球上的“世界级分析技术”比起来，其能力仍有限。“我们在火星车上搭载的仪器组合非常出色，但与地面实验室掌握的顶级技术相比，还是相形见绌。”汉德说。

汉德特别关注“明亮天使”岩石中碳的同位素特征，因为同位素比例有望提供生命参与与否的线索。他还希望未来能分析这些碳相关分子的手性（chirality）——在地球生命体系中，分子对某一“手性”方向的偏好是强烈的生物信号。汉德补充道：“如果有机会将样本带回地球，我们还可以借助最强大的显微镜，寻找可能的微生物化石，从而为火星过去的生命活动提供更直观的证据。”

与此同时，研究团队也强调，目前对这类大分子碳的非生命生成机制并不匮乏。在某些环境中，流体与岩石的反应能够在完全没有生命参与的前提下合成有机化合物。墨菲指出，在地球上，碳酸盐矿物附近发现的碳，有时可以追溯到水–岩化学反应，有时则与微生物活动有关，具体要视地质环境而定。汉德则表示，希望在样本运回地球之前，“毅力号”还可以在火星上找到更多这类值得深入研究的岩石。

“现在我们正在耶泽罗陨石坑外的区域开展探测——目前行进路径上的岩石很可能是火星车有史以来研究过的最古老岩石之一。”汉德说。“如果火星在其演化早期曾出现过生命，我们也许会在这些远古岩石中找到某些蛛丝马迹。”这项研究成果已发表于《科学进展》（Science Advances），论文编号为2026年adx0047号。