我們所知道的生命需要水才能生成繁榮。即便如此，我們看到生命仍然存在于地球上最干燥的環(huán)境中。但是干燥是太干燥了？在什么程度上，一個極端的環(huán)境對微生物——生命形式中最微小、最具彈性的微生物——來說都是無法生存的？這些問題對于尋找地球以外生命的科學(xué)家來說很重要，包括在火星上。
為了回答這個問題，美國國家航空航天局(NASA)位于加州硅谷的艾姆斯研究中心(Ames research Center)的一個研究小組前往地球上最干燥的地方：智利的阿塔卡馬沙漠(Atacama Desert)，這是南美洲西海岸一條1000公里長的狹長地帶，阿塔卡馬沙漠是地球上最靠近炙熱的火星表面的環(huán)境之一。但阿塔卡馬并非都是干的，當從智利中部相對不太干燥的南部沙漠向智利北部極度干旱的中心移動時，每年的降水量從每年幾毫米變?yōu)槊渴曛挥袔缀撩住?/span>
研究人員從智利的阿塔卡馬沙漠表面采集樣本，這些樣本深入地面幾厘米。圖片：NASA Ames Research Center
這種不均勻的干燥環(huán)境提供了一個尋找降水量減少的生命的機會。通過確定一個環(huán)境需要適宜居住的水量，即能夠支持生命形式，研究小組就能夠確定是否存在可居住性的干旱極限。艾姆斯大學(xué)的天體生物學(xué)家瑪麗·貝斯·威廉(Mary Beth Wilhelm)說：在地球上能到處都能找到微生物生活的證據(jù)。然而在極端的環(huán)境中，重要的是要知道微生物是否處于休眠狀態(tài)，只是勉強生存，還是真的活得好好的。生物學(xué)家把能生長和繁殖的東西定義為活的。
如果微生物僅僅是存活或執(zhí)行一些基本功能，它們將在一代之內(nèi)死亡，而不會傳遞任何遺傳信息。在尋找火星上生命的潛力時，科學(xué)家需要看到這種繁殖，這將導(dǎo)致生命數(shù)量增長和下一代的基因變化。通過研究微生物是否以及如何在地球上極其干燥的地區(qū)存活，我們希望能夠更好地了解火星是否曾經(jīng)有微生物，以及它是否能夠存活到今天。
壓力的標志是生命的標志
科學(xué)家們有一些工具來確定一個樣本是在生長還是在存活。一個重要的跡象是壓力。在像阿塔卡馬這樣的極端沙漠中生活足夠長的時間來生長和適應(yīng)——或者在火星上——不是一件容易的事。如果生命在極度干燥的環(huán)境中生長，就會有壓力，而蟄伏的生命則不會存活。因為休眠的生命甚至不能嘗試生長或繁殖，所以沒有壓力標記，比如某些細胞分子結(jié)構(gòu)的變化。天體生物學(xué)家可以通過尋找這種壓力的一些跡象來尋找干旱土壤中生長的證據(jù)?？茖W(xué)團隊從阿塔卡馬沙漠的另一邊收集了土壤樣本，并將它們帶回了他們在艾姆斯的實驗室。
這張阿塔卡馬沙漠的地圖顯示了從沙漠一端到另一端的年降水量變化。所提到的干旱指數(shù)是基于年降雨量和水量損失的值。圖片：NASA Ames Research Center
在那里通過觀察所有已知生物的共同特征，進行測試，以識別樣本中的壓力標記。一種壓力標記可以在脂類中找到，脂類是構(gòu)成活的微生物細胞外表面的分子，被稱為細胞膜。當細胞暴露在壓力環(huán)境下，它們的脂質(zhì)會改變結(jié)構(gòu)，變得更加堅硬?？茖W(xué)家們在阿塔卡馬不太干燥的地方發(fā)現(xiàn)了這個標記，但在最干燥的地區(qū)卻神秘地丟失了它，那里的微生物應(yīng)該受到更大的壓力。基于這些和其他的結(jié)果，研究小組認為，在微小的水量仍然足以維持生命生長的地方和環(huán)境如此干燥的地方之間存在著一條過渡線，以至于在阿塔卡馬的表層土壤中，微生物無法生長，只能存活。
與生命的遺跡約會
科學(xué)家可以通過研究一種叫做氨基酸的分子來判斷細胞死亡的時間，氨基酸是蛋白質(zhì)的組成部分。這些氨基酸的結(jié)構(gòu)有兩種形式，每一種都是另一種的鏡像，就像一對手。事實上，“利手性”是科學(xué)家用來描述這些結(jié)構(gòu)的術(shù)語。地球上所有的生命都是由“左手”氨基酸分子構(gòu)成的。然而當一個細胞死亡時，它的一些氨基酸會以已知的速度轉(zhuǎn)變?yōu)榉瓷湫缘摹坝倚苯Y(jié)構(gòu)，多年后最終平衡為50%對50%。通過在最干燥的阿塔卡馬土壤中觀察這個比例，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)那里的微生物已經(jīng)死亡了至少一萬年。即使是發(fā)現(xiàn)如此古老的生命遺跡也極為罕見，對于地球表面的一個樣本來說也是令人驚訝的。
準備去火星
火星甚至比阿塔卡馬最干燥的地方還要干燥1000倍，這使得我們所知的微生物在火星表面存在的可能性更小，即使有一些水源。然而，即使是在智利沙漠最干旱的地區(qū)，阿塔卡馬沙漠歷史上從潮濕年代遺留下來的微生物的遺跡也清晰地存在著，并保存了數(shù)千年。這就意味著，因為科學(xué)家們知道火星在過去是一個更濕潤、更有活力的星球，所以遠古生命的痕跡可能仍然完好無損。在我們?nèi)セ鹦侵埃梢韵袷褂米匀粚嶒炇乙粯邮褂冒⑺R，根據(jù)我們的結(jié)果，調(diào)整對到達火星后可能發(fā)現(xiàn)的結(jié)果的預(yù)期，知道今天的火星表面可能太干生命成長，但這痕跡的微生物可以持續(xù)幾千年來幫助我們設(shè)計更好的儀器不僅尋找生命，在地球的表面,但試圖解開遠古的秘密。
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