火星類比區(qū)——在地球上尋找類似火星的地方(中)

王世杰 趙宇鴳

火星在它誕生之初的約8億年里（諾亞紀(jì)），是一個(gè)充滿活力、急劇變化著的星球：炙熱的巖漿洋逐漸冷卻，分化出殼-幔-核；外來的撞擊強(qiáng)烈而密集；在一次或幾次大型的撞擊之后，火星南高北低的全球兩分地勢(shì)格局形成；以太陽系最高的火山奧林帕斯山為代表的薩希思大火山省在諾亞紀(jì)的晚期開始活動(dòng)。

這個(gè)時(shí)期火星表面的水持續(xù)活動(dòng)著，形成了我們現(xiàn)在看到的各種河谷網(wǎng)絡(luò)和沉積巖記錄?；鹦莾?nèi)部的地磁發(fā)動(dòng)機(jī)在前5億年里經(jīng)歷了從活動(dòng)到停滯的全過程，之后，火星失去了地磁場(chǎng)的保護(hù)，也失去了它原生的大氣。如果火星曾經(jīng)出現(xiàn)生命，最有可能就是在這個(gè)時(shí)期。所以要類比這個(gè)時(shí)期的火星，科學(xué)家們尋找存在水-巖石-生物相互作用的地區(qū)，還有存在地球早期生命遺跡的地方。

美國(guó)的黃石國(guó)家公園的熱泉環(huán)境，可以類比火星的水熱環(huán)境、早期生命保存、嗜熱微生物墊、硅華、富蛋白石的土壤、鐵沉積物等等。黃石公園還有通過光能和化學(xué)能自我供養(yǎng)的多種微生物群落。西班牙的力拓河，有火山活動(dòng)形成的世界上最大規(guī)模的硫沉積，在地表水的作用下，生成了富硫酸鹽的強(qiáng)酸性水環(huán)境，與機(jī)遇號(hào)火星車在子午線平原發(fā)現(xiàn)的沉積環(huán)境可能非常類似。對(duì)力拓河流域存在的硫酸鹽和氧化物等礦物類型的研究，幫助科學(xué)家理解火星子午線平原的沉積物礦物類型和它們的成因。科學(xué)家們還對(duì)流域內(nèi)微生物群落開展研究，以了解強(qiáng)酸性條件下的微生物群落特性。同時(shí)，還在這里開展了探測(cè)器模擬采樣的實(shí)驗(yàn)。加拿大的帕維湖湖底，保存著許多微生物石，屬于疊層石的一種，這里為研究淡水微生物群落和保存提供了理想的場(chǎng)所。墨西哥的龍舌蘭洞穴與我們通常見到的喀斯特洞穴不同，洞內(nèi)的石筍、石柱等等都是以硫和硫酸鹽形式存在的，而非碳酸鹽類的鐘乳石。洞里生活著許多用硫呼吸的微生物群落?；鹦桥c地球一個(gè)很大的區(qū)別，是火星表面環(huán)境是以硫?yàn)橹鞯?，而地球表面環(huán)境是以碳為主的。像龍舌蘭洞穴這樣以硫?yàn)橹鞯亩囱?，是?duì)火星地表下環(huán)境的有趣想象?；鹦怯袥]有類似這樣的洞穴？洞穴里會(huì)不會(huì)生存著用硫呼吸的微生物？

在諾亞紀(jì)結(jié)束后的7億年里，火星進(jìn)入演化的中期（西方紀(jì)）：火星地質(zhì)活動(dòng)開始減弱，開始變冷，但薩希思大火山省和位于平原的火山仍然持續(xù)活動(dòng)，直到這個(gè)時(shí)期的尾聲。大量的外流河道出現(xiàn)并發(fā)展。從全球來看，河流將南半球剝蝕形成的碎屑物和沉積物填充到北部低地。類比這個(gè)時(shí)期的火星，主要是冰川和水，冰川與火山的相互作用，冰川下埋藏的冰湖，以及生存在這些環(huán)境中的生命等等。在地球上，南極、冰島，還有位于加拿大北極圈內(nèi)的阿克塞爾海伯格島等等都是著名的類比區(qū)。這里我們主要介紹南極和冰島。

南極既可以類比現(xiàn)代火星，也是中期火星的絕佳類比區(qū)。南極冰川的季節(jié)性消融，可以幫助科學(xué)家了解冰凍環(huán)境中冰川短時(shí)間溶解對(duì)鹽富集的作用，這可能是火星表面鹽聚集的一個(gè)重要方式。位于泰勒冰川和波尼湖交界的“血瀑布”，因白色的冰川上持續(xù)流出紅色的水而得名。原來泰勒冰川下埋藏著另一個(gè)湖，與波尼湖并不相連。湖水水溫很低，沒有光照、沒有氧、鹽度很高，富含二價(jià)鐵。當(dāng)湖水間歇性的穿透冰川暴露在空氣中，二價(jià)鐵被氧化成三價(jià)鐵，就顯出了血紅色。更讓人驚奇的是，湖水中存在著約17種不同的微生物，它們不依靠光合作用，而是有效的利用湖水中所含的鹽類和極少量的有機(jī)物來為自身提供能量，這種呼吸方式在地球上非常罕見?？茖W(xué)家還在這里測(cè)試鉆取湖水而不污染水樣的方法。

類似這種被冰川埋藏在深處的湖泊，被稱為冰下湖。今年歐空局的科學(xué)家們報(bào)道了“火星快車”用雷達(dá)探測(cè)到火星南極冰蓋下約1.5公里處，可能存在冰下湖的證據(jù)，引起熱議。當(dāng)然這個(gè)發(fā)現(xiàn)還需要被其他探測(cè)器進(jìn)一步核實(shí)。而在地球的南極冰蓋下，目前已知的冰下湖約有400個(gè)，其中許多也是被可以穿透冰層的雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的。最大最著名的是沃斯托克湖，位于冰下4公里?？茖W(xué)家們?cè)谶@個(gè)湖上層的冰蓋上建立了研究站，通過鉆取冰芯研究極限環(huán)境的微生物和環(huán)境演化歷史。這些位于冰川深部的水，是如何保持液態(tài)的呢？冰層的壓力和保溫效應(yīng)，可以使冰層的深部部分融化為液態(tài)；如果是源自海水的原有液態(tài)水，鹽分也有助于降低湖水的冰點(diǎn)。根據(jù)估算，火星冰層下原有的液態(tài)水，可以在600米以下的位置穩(wěn)定存在，無需額外熱源；地?zé)崛诨鶎拥纳疃?，需要達(dá)到約4-6公里深，這與火星北極冰蓋的厚度相當(dāng)。

冰煙囪是南極另一個(gè)有趣的火星類比奇觀。在南極羅斯島的埃里伯斯峰，許多的冰煙囪在冰雪覆蓋的大地上吐著熱氣。冰煙囪是由活火山散發(fā)的熱氣在冰雪覆蓋的地表上作用形成的。冰煙囪的外層是寒冷干燥的空氣，而內(nèi)部卻是溫暖濕潤(rùn)的環(huán)境；冰層還有效阻擋了紫外線，使煙囪內(nèi)的環(huán)境更溫和更宜居。雖然目前在火星表面還沒有直接觀察到冰煙囪，但類似這樣溫暖濕潤(rùn)的被埋藏的通道，卻被認(rèn)為是可能存在的。（編輯/高緯時(shí)）