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14 火星上有生命嗎？
我們要如何決定火星上是否有生命存在呢？在上個世紀，科學家因為對這個問題感到興趣而做出許多分析，推論出四項主要的方法來偵測其他行星的生命。對於地球上的我們而言，依照（歷史上）困難度的增加，它們的順序是：（1）我們能從地球上觀看火星上其他文明所造成的大規模的變化；（2）我們能收聽到發自其他文明的無線電訊號；（3）我們能利用先進的光譜技術，分析行星的大氣組成，來找到由於生物存在所造成的微小變化；（4）我們能前往其他行星，進行精密的實驗，以測試是否有大型生物或微生物的存在。
我們注意到，前三項技術可以直接在地球上進行，只要我們有靈敏的望遠鏡、無線電波天線，以及光譜儀。我們也注意到，第四項是最直接的尋找方法，其花費要比其他三項昂貴許多，但也並非多到人類不願意負擔。在我們看這第四項偵測方法的結果之前，讓我們先停下來思考一下，如果一個聰明的火星人利用前三項技術偵測到地球生命，它們會有何發現。
直到不久前，我們的科技水準才進步到足以讓火星人使用前兩項技術 ── 用看的以及用聽的 ── 來偵測到地球生命。地球大氣的擾動會使行星表面變得非常模糊，以致看不出人為景觀的改變，而以前都市夜晚所閃爍的燈光也尚未到達被輕易偵測到的程度。同樣的，因為人類直到1920年代起，才開始發射大量的電波訊號，所以在這之前也沒有電波通訊會被偵測到。但是第三種檢驗方法就不一樣了，它早在20億年前 ── 即使當時地球上還沒有發展出文明 ── 就已經會得到確切的結果。
在火星上所進行的光譜觀測，會發現地球大氣有大量的{氧}分子。這會讓聰明的火星人感到困惑，因為氧氣是非常容易反應的氣體，它會迅速地與一直從地層內部露出的岩石結合。這個過程將我們行星大氣中的氧氣移除，因此這個氣體要繼續存在就必須要有來源，這個來源要能夠消耗能量，以將這個容易反應的氣體釋回大氣。這個來源，當然就是生命，也就是綠色的植物，它們藉由光合作用釋出氧氣。
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如果這些氧氣還不夠做為證據，火星上的科學家在發現我們的大氣裡含有少量的甲烷時，便會進一步找到生命的證據。甲烷是我們通稱為「天然氣」燃料的主要成分。甲烷在有氧的環境裡燃燒，而燃燒是一種快速的氧化。來自太陽的紫外線有足夠的能量，能在10年內把地球大氣裡的甲烷全部氧化，將它轉化為二氧化碳和水。因此地球上持續有甲烷存在，就必須要有來源，才能不斷補充氧化了的甲烷。這個來源還是生命，來自居住在草食動物的胃裡，以及在沼澤地的細菌。（天然氣和積存的煤與石油有關，而這兩者都是死生物體的產物。）
最後，某個火星人在1972年和1992年分別檢視地球的光譜，它會發現一項顯著的變化。現代的大氣包含了微量的碳化氯氟，在美國稱為freons（二氯二氟代甲??），用來做為噴霧器內的加壓劑，以及做為電冰箱與冷氣機的冷凍劑。這些都不是天然物質，因此它們的存在顯示有先進（但還不是那麼有智慧！）文明的
存在。
因此在火星人登陸地球取樣之前，第三項測試早就告訴了火星人地球上有生命存在。同樣的，如果我們的確在火星大氣裡發現大量的氧氣，我們或許就會認為那裡可能有生命。但是現在我們知道火星稀薄的大氣裡（壓力只有地球大氣壓的百分之0.7），氧氣只佔百分之0.13。當陽光遇到大氣中少量的水蒸氣與二氧化碳時，所造成的光化學反應就可以產生這些微量的氧氣。我們在火星上沒有偵測到甲烷以及其他的碳氫氣體（就更別說freons了！），因此該行星完全沒有地球所具備的意外條件，而就是這些條件使得地球生氣盎然。
簡單的說，前三個測試沒有顯示火星上有生物的跡象：沒有「運河」、沒有城市、沒有電台與電視廣播，大氣裡也沒有意外的氣體。於是，人類花了將近10億美金來進行第四項測試，建造了海盜號太空船，它們能夠登陸火星，同時進行精密的實驗來檢測火星上是否有微生物的存在。
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<如何發現火星的微生物> (How to Find Martian Microorganisms)
雖然在尋找生命方面，我們最興奮的，莫過於發現大型、已進化、能和我們溝通的生物，但是地球生命的歷史提醒我們，微生物在數量上遠超過大型生物，同時它們也頑強得多。化石記錄顯示有幾十億年的時間微生物是地球上唯一種類的生物，它存在的歷史要比大型生物久遠得多。微生物的數量並沒有減少，適應能力也沒有降低。在你家後院土壤裡的微生物數量，要比我們銀河系裡的恆星數目還來得多。我們沒有理由預期其他有生命的行星在生命系統的整體發展上，會和地球不同，因此當我們把搜尋微生物也包括在內的話，我們找到生命的機會會大大增加。在設計尋找火星生命的實驗時，我們便加入了這個考量。
但是我們要如何找到這些「跳躍的小野獸」（它們的發現者李烏文霍克Anton Leeuwenhoek如此稱呼它們）呢？我們無法用普通的相機來觀看微小的生物，而要把一個威力強大的顯微鏡送上火星，然後提供它適當的樣本進行檢驗也是很困難的（在研究要怎麼設計後，發現的確很困難）。取而代之的，海盜號必須仰賴一些實驗，以更複雜的方式來偵測微生物。此外，海盜號必須考慮一種可能：登陸在火星表面的那間細心規劃、精緻無比的實驗室，說不定偵測到的只是地球上的微生物，而由登陸艇本身千里迢迢帶到火星去的！
海盜號的科學家極為小心地將整艘太空船高溫殺菌，來儘量克服最後這個問題。他們還反覆思索，試圖找出最好的方法，來取得那些沒有受到太空船下降影響的微生物。他們最後認為最好的辦法，是一條在尾端配有挖勺的簡單延伸桁臂，因為一些測試顯示登陸只會對太空船正下方的土壤造成些微的干擾（圖14.1）。就假設我們實際上能夠測試到一個沒有受到污染的土壤樣本，看看裡面有沒有微生物吧。這些微生物愛吃什麼、愛喝什麼呢？對於這種問題，海盜號的科學家仰賴生物學與化學的基本原理。這些原理免不了有些偏頗，因為這些是我們根據生物學上唯一的例子 ── 也就是地球生命 ─── 所推導出來的。
一旦僅記了這個偏頗，我們可以有如下的原則：火星上的生命，如果存在的話，一定會以碳化學為基底，而且應該有某種液體溶液，這種溶液應該是某種常見的物質，同時在火星的環境下以液態存在。火星上沒有阿摩尼亞，也沒有酒精，這意味碳化學要配上水；也就是基本上與地球生命有相同化學組成的生命系統。這樣的結論看起來似乎限制了生命的型態，但是在這麼基本的層面上，像這樣的化學組成，其實使得生命可能存在的型態擁有無比的彈性（見第10章）。那麼我們如何能夠偵測到形式與行為皆未知的微小火星微生物呢？
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圖14.1 海盜號登陸艇體積雖然狹小，但卻擁有極佳的分析能力能夠分析火星的大氣及表面，它擁有一具配有挖勺的可延伸桁臂，能把土壤樣本放進登陸艇上不同的實驗艙盒裡。
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照理來說，第一步是要仔細研究火星的大氣與土壤。所有的生物，包括微生物在內，都和其居住的地方建立起密切的關係。如果微生物的數量夠多的話，它們便會改變其周遭環境的化學狀況，因此就會產生生命的跡象，而透過分析大氣與土壤就應該能偵測到這些跡象。
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<海盜號的探測結果：大氣分析> (The Viking Results: Atmospheric Analysis)
我們已經看到，從地球上觀測火星大氣，並沒有發現任何顯示有生命存在的非平衡氣體。海盜號的測量不過是證實這個分析罷了。質譜儀倒是發現在火星的大氣裡，氮氣佔了百分之2到3。這是個重要的發現，因為從地面的光譜觀測並偵測不到氮氣。
這個結果似乎有點令人感到意外，因為氮在我們大氣裡佔了百分之78。偵測不到氮氣的原因是因為這個氣體對可見光及紅外線輻射來說，幾乎是透明的，而只吸收紫外線輻射。但是因為臭氧層會吸收掉這些輻射，所以我們在地表根本偵測不到。因此使用深入大氣中的質譜儀來研究氮氣要容易得多。這項儀器會將進入的氣體游離，然後用磁場將不同質量，以及不同游離程度的氣體分開。
因為在我們這個行星上，生物體與地球大氣之間氮氣的交換是生命必需的過程，因此在火星的大氣裡找到氮氣，對那些想在火星上找到生命的人，似乎是個希望的象徵。但是我們卻沒有發現「有生命就一定會有這種氣體」的證據；在兩個登陸點的甲烷值豐度不到百萬分之幾。水手9號太空船上的紅外光譜儀在此之前已經測到，在整個行星大氣中，甲烷豐度的上限是10億分之25，所以火星上大概是不會有成群的牛兒了！光譜儀也沒有找到四氫化矽，這是由矽所組成、類似甲烷的氣體。（四氫化矽氣體在火星的環境下實際上是不穩定的，所以以矽為基底的生命讓我們又回到「噴火龍可不可能存在」的老問題[見第??頁]。）
<海盜號的探測結果：土壤分析> (The Viking Results: Soil Analysis)
當第一艘海盜號降落在火星表面，把第一批土壤樣本放進檢驗室裡後，分析的結果很快就傳回地球：火星土壤裡沒有有機化合物的跡象。海盜號登陸艇使用一具非常精密的儀器進行土壤分析，稱為「氣體層析質譜儀」 (gas chromatograph-mass spectrometer; GCMS)。GCMS將土壤放在爐中烘烤以驅出揮發性氣體。這些氣體以不同程度的黏度附著在儀器內層析的部分，把這些氣體加熱後會讓揮發性氣體陸續逃逸，質譜儀則分析離開的氣流，藉以判定留下來的是哪一種成分。
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圖14.2顯示的是以實驗室版的海盜號GCMS來分析地球上南極的土壤，雖然這些土壤包含的生物體，只足以讓三項偵測生命的實驗獲得微弱的生命訊號，但是GCMS 卻顯示，其中存在了許多有機化合物。換句話說，與生命相關的有機化合物，要比生命物體本身更容易被偵測到。舉例來說，圖14.2中，在取樣的南極土內，其有機分子中的碳含量是微生物的10,000倍 (彩圖14)。
然而，我們一定要明白，並非所有的有機化合物都必須由生物體所產生。圖14.2也展示了GCMS對一顆含有胺基酸（蛋白質的成分）的隕石所做的分析。我們一樣看到了富含碳的分子，但是這些有機分子並不是由生命所製造。因此一般而言，偵測到有機分子並不表示火星上有生命，因為比較簡單的有機化合物可藉由隕石帶至火星，或者甚至是在火星大氣裡由光化學反應產生。
實際上，這些不確定的因素並沒有妨礙到GCMS實驗，因為反正它{沒有}在火星土壤裡找到有機化合物。在圖14.2的尺度下，火星土壤的結果和零（也就是圖上的橫軸）是差不多的。這些結果在兩個登陸地點都一樣，同時在每個登陸點所採集到的兩個樣本也都一樣，其中還包括一個取自岩石底下的樣本，因為（我們原先這麼認為）它說不定存有被遮住、免於遭受紫外線侵害的生物體。在土壤中唯一找到的化合物是水及二氧化碳，這些東西都不讓人意外，因為這些氣體就存在行星的大氣裡。所有土壤裡可能有的有機化合物，像是碳氫化合物、丙酮、C4H4O (furan)，以及 acetonitrile ?? 的豐度都不到10億分之幾。
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圖14.2 一個海盜號上面的GCMS測試同型機分析了（左）南極以及（中）包含有胺基酸的默奇森隕石（與圖11.12比較）。因為圖上的每個峰值代表一個或一個以上的化合物，這些圖表示這兩個樣本皆含有豐富的各種有機物質。在同樣的尺度下，GCMS對火星土壤的分析則是一條在零的直線，完全沒有峰值（右）。
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這些不利於生命發展的結果嚴格限制了火星的生物狀況：如果火星上有生物，它怎麼可能沒有留下任何跡象呢？會不會火星生物是非常有效率的清道夫，使得海盜號上面相當靈敏的儀器都偵測不到它們的排泄物、食物、或屍體呢？ 參與海盜號計畫的生物學家認為這是根本不可能的事情。
<海盜號的生物實驗> (The Viking Biology Experiments)
從土壤分析和大氣分析都得到了不利於生命發展的結果，看樣子用特別設計的儀器，想要找到火星上的生命，前景可能不是太好。因此當海盜號的科學家得知三個生物儀器全部都得到正面的結果時，感到非常意外！
在經過了重重考慮後，海盜號計畫挑選了三項實驗來尋找火星生命：（1） 氣體交換（gas exchange; GEX）；（2）顯蹤釋出（Labeled release; LR）；以及（3）分解釋出（pyrolitic release; PR）。這些實驗所根據的都是從地球生命得來的科學經驗，例如，所有我們知道的生物體全都從兩個基本的過程取得能量：氧化（去除氫氣，與氧氣結合）及還原（去除氧氣，與氫氣結合）。這兩種過程都應該在火星上檢驗，但是如何進行呢？火星人「吃」什麼來獲得能量呢？它們在什麼情況下會進食呢？
我們已經看到，假設「在火星表面與大氣所提供的環境裡存在的生命，會以碳為基底，而且以水為溶劑」是合裡的。因此科學家覺得合理的作法是，提供火星微生物某些溶解在水裡的有機養分，然後看在這些「食物」會發生哪些（如果有的話）反應。其中的GEX及LR實驗就是遵循這個步驟。
GEX實驗讓土壤樣本與數十個「可能的」養分接觸（圖14.3）。這些養分非常吸引地球的生命，因此GEX很快被稱為「雞湯」實驗。一旦土壤樣本與雞湯接觸，接下來的問題是：在艙盒裡分析氣體的「氣體層析儀」會不會在土壤上方的氣體中偵測到成分的改變？火星微生物的生命作用會引起這樣的改變。在地球上，這個雞湯實驗的結果會顯示出在土壤上方的空氣裡，氧氣、二氧化碳，或是氫氣會產生變化，這些改變來自土壤中微生物的新陳代謝作用，因此而揭示生命的存在。
顯蹤釋出（LR） 實驗則希望更直接地檢查生物的活動。此實驗使用一組化合物，其中化合物裡的一些正常的碳原子，由放射性碳原子所取代（再次見圖14.3）。把這些有了標記的混合物滴到土壤樣本裡，然後檢查上方的氣體是否有任何像是二氧化碳或是甲烷的放射性化合物，被火星生物的生命作用釋放出來。在地球我們可以稱LR為呼吸實驗，用來檢視生物體有沒有將氣體釋入大氣。
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圖14.3 GEX、LR，以及PR實驗的圖示，顯示它們各自以不同的方法來分析火星的土壤是否存有生物。GEX實驗把養分液暴露在數公克的土壤中，然後檢視土壤及養分液混合物上方的氣體，看是否有變化。LR實驗把富含碳的化合物中一些普通的碳12原子，代之以放射性的碳14原子，然後把這些標記了的化合物滴到土壤樣本中。任何生物作用應該會使樣本上方的氣體裡，出現一些標記了的化合物。PR實驗則將火星正常的大氣，以標記了放射性碳原子的同樣氣體代換。任何生物體要是消化了這些標記了的分子，當生物體所在的土壤被加熱時，就會產生放射訊號。
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GEX與LR實驗有兩個缺點。首先，水無法存在於目前的火星上，因此火星的微生物可能會完全不習慣流動的介質。其次，地球微生物覺得好吃的有機養分，對火星微生物而言說不定是毒藥。第三個生物實驗「分解釋出」（PR）能夠改進這些缺點（再次參見圖14.3）。在這個實驗中，火星土壤所在的環境幾乎和該行星的表面一樣，但是測試艙盒裡的大氣氣體，則加入標記了放射性碳的二氧化碳與一氧化碳。在讓生物體生存一段時間後，把土壤加熱到750C，受熱後釋放出來的揮發氣體隨後通過一個蒸氣阱，然後進入一個計數器，以測量氣體的放射性強度。
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只有二氧化碳與一氧化碳能全程通過蒸氣阱管。一旦這兩種氣體離開系統，便將蒸氣阱加熱，以驅出任何可能已經產生的有機蒸氣。這些蒸氣因為可能含有一些加入的二氧化碳與一氧化碳的放射原子，因此我們認得出來。換句話說，PR實驗希望藉著烤灼火星微生物的屍體，以釋放出微生物藉由生物活動所獲得的碳原子。地球這類活動中最重要的就是植物的光合作用，其中地球大氣裡的二氧化碳被綠色植物轉化成有機化合物。把植物烘焙以後，便會使這些有機化合物蒸發。在PR實驗裡，這些蒸氣可能會具有放射性。
然而，在地球上進行的PR實驗卻顯示要分辨生物活動與化學反應是很困難的。把一團消毒過的模擬火星土壤放在具有和火星大氣組成一般的混合氣體裡，曝曬在短波紫外線輻射中，生物學家發現當中形成某些簡單的有機分子，主要是乙烯(glycol)與甲醛。要是在真正的火星大氣中發生了相同的化學反應，它們便會和簡單行光合作用的生物一樣，將二氧化碳轉化成比較複雜的碳化合物。因此，為了排除在地球實驗室中發現的光化學反應，實驗人員決定過濾掉實驗艙盒中用來模擬太陽光源的短波紫外線輻射。
<海盜號生物實驗的結果> (Results of the Viking Biology Experiments)
在首次登陸火星後的第八天，登陸艇挖起一道土溝而將樣本分配給各個實驗(見彩圖12)。GEX實驗把1克的土壤放進一個置於養分液上方的小型多孔容器內。兩天後，我們針對容器中的氣體進行首次分析，而其結果令人相當興奮：大量的氧氣出現在艙盒裡，而含量是行星大氣的15倍！光是單純地暴露在測試艙盒的溼度(來自裝滿養分的液體)之下，顯然就足以從土壤中釋出氧。這是否表示火星上有生命呢？經過幾個月的測試，我們也發現到先前加熱的土壤樣本也同樣釋放出氧氣，但生物學家判定他們看到的不是生物活動，而是火星土壤在大氣壓力比較高（和過去幾百萬年的大氣比起來）的情況下，所產生的化學作用。換句話說，造成火星土壤釋出氧氣的{化學反應}的，不是「雞湯」本身，而是它所產生的溼氣。
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就在GEX首批資料公佈的後一天，LR實驗的報告也回來了: 結果也是肯定的！在確定背景放射性的程度很低後，LR在土壤裡加入兩滴放射性的養分物質。土壤上方空氣的放射性突然大增，比生物學家在許多存有生物的地球土壤裡所發現到的反應，都還來得顯著。很不幸地，對那些期待找到生命證據的人來說，海盜號科學家很快便明白，放射性氣體(幾乎能確定是二氧化碳)能夠由過氧化物參與的簡單化學反應產生。舉例來說，假如火星土壤裡有過氧化氫(H2O2)，那麼它與養分介質裡的某種化合物，像是蟻酸(HCOOH)就能輕易地產生反應，而形成水與二氧化碳。第二次把土壤滴溼還是沒有在測試艙盒內偵測到放射性的增強。事實上，加入的養分液似乎吸收掉了原先一些已釋放出來的放射性二氧化碳。因此科學家認為，並不是火星上有生命，而是火星土壤裡可能蘊含了像是過氧化物這樣的化學物質，當它們與簡單的有機化合物接觸時，會釋放出二氧化碳。
由於我們在前兩個實驗並沒有得到明確的訊息，海盜號成員迫切等待著PR實驗的結果，這個實驗由於未使用以水為基底的養分，因此不會產生生物學家所懷疑、由主要的反應劑(水)所引起的化學反應。PR實驗需要5天的等待期，這期間放射性的一氧化碳與二氧化碳都留在樣本的艙盒中。分析初期實驗的結果顯示，放射性碳元素的確會成為土壤中化合物的一部份(圖14.4)，雖然這個訊號微弱，但可信度頗高：以PR實驗的結果來說，火星土壤表現得很像地球上南極的土壤，幾乎是無菌但又不全然如此。這個實驗看起來是最不容易被非生物反應所蒙蔽，因此此實驗得到確切的正面結果。但是即使在這個情況下，海盜號科學家仍懷疑他們是否真正找到了火星生命。
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圖14.4 在 PR 實驗裡，火星土壤暴露在模擬火星環境、標有放射性碳的一氧化碳及二氧化碳之下。之後在土壤受熱所釋放出的氣體中，發現一些放射性碳，這表示土壤裡產生了一種新的有機化合物。
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之所以懷疑的理由，是因為當科學家在注入放射性氣體之前，將火星土壤加熱到175C，以及持續維持在90C時，他們仍從PR實驗得到肯定的結果。比較高的溫度會使反應速率減慢百分之90，但是仍然偵測到肯定的訊號，較低的溫度則沒有影響。由於火星表面溫度甚至不會高於攝氏40幾度，海盜號的科學家不相信會有火星生命能在攝氏 175 度下存活3小時，地球上沒有任何生物有這種能耐。此外，由於GCMS顯示土壤中的有機物值不到10億分之幾，因此不太可能是經由極少量(想像中)能耐熱的微生物，來提供PR實驗所得到的正面結果。事實上，近一步的測試顯示，首批PR土壤樣本中的少量阿摩尼亞 ── 這些是從海盜號登陸艇下降的引擎中洩漏出來的 ── 可能是造成土壤化學成分產生首批正面微弱訊號的原因。
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不管如何，三個生物實驗全都得到正面的結果。海盜號科學家認為這些看似是微生物化學反應的結果，說明了我們要分辨奇特的生物型態與各式各樣可能化學反應的差別，是相當不容易的。這個問題和一個世紀之前「挑戰者號」 (H.M.S. Challenger) 探測船上的科學家所面對的問題（見第??頁）極為類似。海盜號的生物學家所獲得的共識是，火星土壤的各種化合物中含有寬鬆地鍵結在一起的氧原子，例如過氧化物。由於火星上的溫度低，同時因為行星表面完全沒有水分，這些化合物可以長期處於化學不平衡的狀態，因此我們即使只是加入一點點水，便能產生與生物活動效果相同的化學反應。
海盜號任務顯示火星土壤在化學上是活躍的，但可能並未包含以碳原子為基底的活生物體，起碼在兩個登陸地點是沒有的。但是我們會不會因為降落在微生物的附近，或是把它們移入太空船，而將它們殺死了呢？這不太可能，因為任何存在的微生物應該已經能適應近乎100C的溫差，而太空船內的溫度（20C）又不超過行星表面的最高溫。事實上，PR實驗的設計就是儘量複製火星實際的環境。在地球上模擬火星登陸的測試顯示，以取樣臂伸出去的距離而言，火星的表面不致被加熱到足以殺死當地的微生物。火星生物會不會以矽元素為基底呢？
GEX實驗顯示將火星土壤暴露在濕氣中會出現氧氣，這可能就是矽化物與水的特有反應。然而在一開始暴露在濕氣之後不久，這個反應就消失了，這表示這個反應完全是化學的因素，而與生命基底無關（見第10章對矽元素生命基底的討論）。
我們倒是有一種偵測火星生命的儀器完全與化學無關，那就是海盜號登陸艇上的相機。火星的照片曾經被異常仔細地搜尋任何移動、坑穴、腳印、足跡，或是任何人為跡象的證據，但是沒有找到任何東西，只有火星空盪的大地上風吹塵土的現象(圖14.5)。因為火星大氣的成分以及海盜號土壤分析的結果，都不利於生命的存在 ── 尤其是大量生命的存在 ── 因此雖然三項生物實驗都得到正面的結果，在兩個登陸地點存有任何生命的可能性是非常低的。
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圖14.5 海盜1號登陸艇附近的2公尺大的岩石（參與實驗的人都稱它為「喬大哥」[Big Joe]）的兩張照片，拍攝時間相隔6個月，分別在1976年9月（左）與1977年3月（右）。在此6個月期間，「喬大哥」右前方的一塊石頭上，有少量的泥土變換了位置。
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<海盜號是否選錯了地方降落？> (Did the Viking Land in the Wrong Places?)
那麼火星上其他地方的生命呢？兩個登陸地點相距超過2000公里，但是土壤分析的結果卻很類似，這表示從一地到另一地沒有太大的差異。最近有關行星表面的模型計算，加強了這個結論，這個模型認為火星的土壤在幾萬年間，會被隕石撞擊以及深及數尺的風所「耕作」（翻面），同時將土粒吹撒佈滿整個行星表面。在劇烈的火星塵暴發生時，整個行星可能都會被遮蓋住，我們可以清楚地看到這個過程。因此火星表面的每一部份可能都和其他部分有所關連，所以採集了某個地方的塵土樣本，應該就相當於在所有地方採集樣本。海盜號在兩個登陸地點所做的土壤分析的結果，證實了這個論點（見第??頁）。
我們上面所講的這些規律，在火星的兩極地方（圖13.14）可能不適用。火星的北極有持久的水冰冠帽，而我們可以想像在盛夏季節，這個極冠的邊緣會有特殊、適合生命的環境。
極冠裡存有相當大量的水，這些水在進入大氣後就被冰凍住了。海盜號登陸艇在該地測量到的地面溫度達到 -33C，這差不多和在第二個登陸點測到的最高溫一樣溫暖，但是當火星自轉時，這裡的溫度卻不會有巨大的變化。事實上兩極地區因為能夠長期保持在寒冷的狀態，
而得以讓有機物質在該處集中，更因為這些物質會在這樣的溫度下凝結，因此一旦落在地面，便不會再受熱而逃逸。我們對火星的南極區域所做的研究，不如對北極冠那麼深入，但是我們知道今日的火星南極似乎比火星北極還要寒冷，並且也保有少部分由冰凍二氧化碳所構成的恆久冠帽，在其下方則可能包覆了一層水冰。因此，火星的北極可能是目前最佳的高緯度環境。
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圖14.6 火星極地的層狀地形，證明物質是經由一再地塵土沈澱、侵蝕，以及塵粒的搬遷所堆積而成。這些層狀沈積物留下了火星氣候變遷的歷史記錄，同時保存了火星表面早期形成的物質。
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但是「最佳」恐怕還不夠好。火星的彩色照片顯示即使在北極附近，裸露的地面顯示出和行星其他部分一樣的偏紅色。這裡的泥土可能同樣被耕作過、被風吹襲過，同時一定被太陽的紫外線照射過，因此這些土壤應該和生物實驗在低緯度所測試的土壤一樣，被完全的氧化。火星風循環的模型顯示，在中緯度區域被吹到空中的塵土，會被帶往極區，在那裡我們看到由於一再地侵蝕、空中搬運，以及小塵粒沈積所累積出來的層狀物質（圖14.6）。所以，即使是這裡的土壤，也應該不存在活體生物。或許在冰凍的兩極的冰層之下，我們有一天會找到某種受到屏障的碳化合物，但是在持續的低溫之下，大概是不會有活的生命了。
我們或許可以想像某些孤立的「綠洲」可以容納火星的生命，但是我們要記住，即使是綠洲也需要完整的外在環境，這些綠洲才得以持續存在。當砂石飄移過來蓋住某個綠洲，或是乾旱期使綠洲消耗掉時，必須有從別的地方來的種子與微生物予以補充，否則，若是沒有這樣外在儲備的生命，任何綠洲很快就會生機不再。
在科學的歷史裡，教條式的陳述通常都不正確，因此我們不應該斷言火星上沒有生命存在。雖然未來可能會有某些新的發現，說服生物學家相信火星的確存有某些活體生物，但是到目前為止我們收集到的證據都認為火星是沒有生命的。我們{可以}說所有已知的地球生物，包括最頑強的微生物在內，都無法在火星目前的環境裡生存。
<古老的伊甸園？未來探險的目標> (The Ancient Eden? Goals for Future Exploration)
我們在第13章看到，我們有充分的理由相信原始火星的情況和原始地球很相似。那些乾涸的河床以及有止水存在的證據（見圖13.4），再再顯示該行星早期曾有個富含CO2的大氣，使得表面壓力大約等於現在地球海平面的壓力。這種大氣層會產生溫室效應，而得以讓行星大部份地區的溫度升高到水的凝固點之上。對火星大氣裡的惰性氣體，以及含量豐富元素的同位素比例所做的仔細研究，都支持這個說法。的確，火星表面最後主要的水流活動在30 億到35億年前就結束了，但是這個時間卻是非常有意義的。在第9章裡，我們看到一張地球最古老生命的照片，也就是被稱為「疊藻層」 (stromatolites;圖9.1) 的藍綠菌群居化石。這些化石的年齡是35億年。要是在地球最早的10億年歷史中，生命得以演化到如此複雜的程度，那麼在火星上為什麼不行呢？以我們現有的證據看來，我們無法排除這個可能性。
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所以生命可能曾經在火星上出現過，但是隨著該行星氣候的變遷及大氣漸趨於目前的密度，生命也隨之消失。我們應該在火星最古老的沈積岩石裡尋找這個早期起源的證據，正如我們在地球最老的岩石中找尋微生物化石的證據一樣。在火星上發現相當於疊藻層的化石，或許不如遇到外星人一樣令人興奮，但我們不妨想一下這樣的發現有何意義。截至目前，我們在宇宙中只知道一種生命，就是我們自己。像人類如此奇怪的物質特性，算是稀有還是常見的現象呢？我們真的是不曉得。如果能夠找到在火星上起源的生命證據，就算它已經絕跡，這些證據也終將針對這個問題提供答案。如果生命果真在兩顆我們預期有生命的行星上發生，那麼我們便有理由期望，在其他恆星的行星上，生命偶而也可以萌芽。
搜尋化石所需的太空任務，會比我們至目前為止送去火星的任務都要精密得多。我們需要一種「偵察車」 (rovers)，它們能夠在火星上穿過峽谷、坑洞這些太古時候被淹沒的地區，把影像傳回地球，並且依指示收集樣本（圖14.7） 我們希望能找到微生物群棲的化石證據，就好像在地球找到的古代疊藻層一般。在最好的情況下，我們應該會把樣本拿回實驗室，進行仔細的研究。像這種自火星取樣回來的任務，目前正由美國太空總署(NASA)、俄國，及歐洲太空總署 (European Space Agency) 研議之中，預計在1990年代末期將有所進展。
在這個野心勃勃的目標達成之前，將會有兩項繞行火星的太空任務，包括「火星觀察者號」 (Mars Observer)，這是NASA在1992年發射的任務，以及「火星94號」 (Mars 94)，這是俄國預計在1994年執行升空的任務。這些太空船將針對所選定的一些表面區域，提供比目前我們已有的更清晰的影像，同時測量表面與大氣的成分。「火星94號」可能也會包括一具氣球以及一套放置在行星表面的儀器，也許就是一台小型偵察車。
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圖14.7 未來的火星任務可能會利用自動無人駕駛偵察車，它們能穿越乾涸的河床，挖取
樣本加以分析，同時把照片及其他資料以無線電傳回地球。要是能把這些樣本本身送回地球
上的實驗室，則收益會最大。
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<火星出了什麼問題？> (What Went Wrong on Mars?)
值此之際，我們試著瞭解為什麼我們今日看到的火星，和我們自己的行星這麼的不同。從金
星與地球上都有豐富的揮發性元素來看，火星現在這個稀薄的大氣層是蠻令人意外的。很多
科學家認為火星可能因為災難性的轟擊，而在早期失去大部分原來的氣體。每顆內行星都遭
受到這種轟擊，但是火星因為體積小，以及接近小行星帶，因而受害最深。
要是火星是顆體積與質量都大一點的行星，它便會聚集並保有像今日的地球與金星一樣多的揮發性物質，例如大量的碳與氮，而這些物質是內行星若想要有濃厚而且穩定的大氣層，非得擁有的成分。比較大的行星擁有比較多的內熱能，導致比較活躍的板塊及火山運動，從而會從岩石裡「擠壓」出更多的揮發性物質。在這個假想的火星上，其表面不再是滿佈坑洞，因為原始的隕石坑會消失，正如地球的情形。但是這個比較濃厚的大氣能夠維持數十億年之久嗎？這得看火星上溫室效應的程度，是否足以平衡因為距離太陽比較遠而造成的低溫。
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會改變內行星環境的就是這種溫室效應，這也就是我們在上一章裡提到的「金鳳花與三顆
行星」的例子。我們所假想的比較大的火星，起碼在赤道上，可能會有足夠的溫度，而得以在表面保有液態水。因此我們此處得到的結論，不像金星的情形那樣乾脆。要是某顆行星與中央恆星的距離，相當於金星與太陽的距離，那麼在它上面似乎就不可能有液態水，但是，對於比較遠的行星，只要它們具有相當程度的大氣溫室效應，理論上還是可能有液態水的。金星給我們的教訓是：與中央恆星隔著適當的距離是很重要的。{我們從火星則學到了擁有足夠的質量來產生並維持濃厚大氣的重要性。}
我們太陽系裡這個現實中比較小的火星上，足以讓液態水在表面存在的早期大氣，可能和今日我們自己的大氣濃度差不多。這個早期的大氣主要由二氧化碳組成，經由水的作用而轉變成碳酸岩，而有些氮分子則在吸收紫外光子後分解成原子，從行星逃逸，如此一來，早期大氣也就隨之消失了。因此火星上水分的活動其實是「自作自受」，因為大氣最後變得太稀薄以致液態水無法存在，而原因卻正是因為液態水{曾經}存在過。在缺乏活躍的板塊運動的情形之下，一旦二氧化碳被封鎖在石灰岩當中，就沒有辦法把二氧化碳再釋回大氣。任何由隕石或彗星撞擊帶到表面，或者是大氣光化學所產生的有機物質，在沒有大氣臭氧的妨礙之下，早就被紫外線氧化成二氧化碳。所以我們就看到了今日的火星：擁有稀薄的大氣、地下水以永久凍土的方式存在、在兩極有冰凍的水及二氧化碳、氮氣與氫氣則緩慢地逃逸到太空之中，而且沒有生命的跡象。
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<收場白：火星上的人臉圖像是怎麼回事？> (What About That Face on Mars?)
本章專注在討論尋找火星上的微生物，所根據的論點是（第??頁）我們相信此種生命型態存在的可能性，要比大型生物來得大。雖然說發現這樣的生命依然會是件了不得的大事，但是像「在火星上找到細菌囉！」這樣的標題，卻不會如一般八卦小報為了促銷所常用的那些標題一般，引起人們的注意。從威勒斯的火星侵略者（見第一章）、大腳(哈利)，以及喜馬拉雅山的雪人，過去的歷史一再說明我們對外星生命型態的猜測，常常是我們自己形象的影射。最近這方面的例子就是有關「火星上的人臉」 (Face on Mars；圖14.8) 的故事。「火星上的人臉」包括了一個在遙遠的天邊所發生的事件：有個奇異的現象、有一群被自己的發現所震驚的科學家、還有被「有關單位」否認有任何不尋常的事情發生，這些當然成為八卦小報的絕佳題材。
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圖 14.8 「火星上的人臉」可以是像地球一般的文明遺跡，也可以是天然岩層，而要分辨這兩種可能性乃是屬於科學的範疇，而非一廂情願的想法，或是一味以地球為中心的信念。
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實際的情況是，作者之一（歐文）身為海盜號計畫登陸地點選定委員會的成員，在檢視火星
的照片時，發現了「火星上的人臉」。對大多數人而言，這個岩層不過是大自然多變的一面，
從某個角度採光 ── 再加上一點想像 ── 就顯示出一張人臉，正如月球上千百年來相傳的「嫦娥、吳剛」一般。地球上的岩層地形也有很多這樣的例子，像是新墨西哥州聖塔菲 (Santa
Fe) 附近的「駱駝岩」 (Camel Rock)，以及新罕布什爾州法蘭柯尼亞諾其 (Franconia Notch)
附近的「大石臉」 (Great Stone Face；圖14.9) 都是這樣的例子。人類的腦海裡偏愛在
看似無情、沒有生機的地形景觀裡尋找人臉 ── 人臉是我們嬰兒期裡第一個學習指認的東
西 ── 證明人類對天人合一的渴望，以及在大自然中尋找人類角色的期盼。
這是否真的能解釋「火星上的人臉」呢？我們怎麼知道這張大小約半公里的「臉」，不是火
星居民為了要讓鄰近行星的生物能夠指認出它們所做出來的呢？若從科學的角度來回答，我們當然無法排除這種可能性，但是我們對於「駱駝岩」與「大石臉」就必須賦予它們同等的可能性，也就是相信這些是古代訪客（甚至是有智慧的駱駝）照著自己的形象所遺留下來的。當然，對任何特定形象的解讀都是人類的主觀意識。如果你將圖14.8順時鐘旋轉90度，或許就會看到一具女性的軀幹，而不是一張臉 ── 這正說明相隔數百萬公里，要想判別形象是很困難的。
排除「火星上的人臉」是其他文明產物的最強而有力的證據，在於我們對火星生命可能性的
瞭解。海盜號的結果是很具說服力的：太空船不但沒能找到微生物，同時兩艘登陸艇上用來
找尋大型生物的相機也運作超過一年。假如真有一群犀牛（或駱駝）在相機正在看另一個方
向時跑過，兩艘登陸艇上的地震儀也可以偵測到這些生物。每艘登陸艇上的GCMS，以及從
地球上與從火星軌道上研究火星的光譜儀，也同樣可以找到生命的跡象 ── 生命的存在與
否會影響大氣氣體的平衡狀態 ─── 而這些跡象可以來自火星上任何地方的生物，不管是大型的還是小型的。這些實驗所測量到的上限，是地球生命產生的不平衡氣體含量的萬分之一。
在1990年代末期前往火星的新任務，將不同於1976年的時海盜號，而將以新的方法同時在不同的狀況下搜尋這顆行星。我們殷切盼望這些太空船將帶給我們有關火星的嶄新知識。解析力更強的相機將提供我們的，除了大量的科學結果以外，想必也會發現更多火星上的「臉」，
或是「動物」什麼的。
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圖 14.9 幾乎所有看到新罕布什爾州的「大石臉」（也稱為「山中老者」[Old Man of the
Mountain]）的人都同意這只是大自然的岩層地形。和「火星上的人臉」比起來，難道這比
較不像人的臉嗎？還是因為火星比較遙遠，因而引發更大的臆測空間？
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那「火星上的人臉」會不會不是火星人做的，而是來自某個遙遠行星的其他文明所做的呢？「優等生物曾經造訪太陽系」的這個說法很引人遐思，我們將在第20章討論。在這之前，對於圖14.8與圖14.9這樣的「雕刻藝術品」的最佳解釋，可能就是我們所熟悉的、造成地球景觀的三項因素：風、水，以及時間。火星上的沙粒所最可能見到的智慧生命型態，是舒舒服服住在一顆叫做地球的鄰近行星上的我們（第??頁）。
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<結語>
1976年登陸火星的兩艘太空船，在兩個相隔頗遠的登陸點對土壤及大氣進行了徹底的分析。這些研究的結果顯示火星上存在有生命，但是進一步檢視這些證據，卻發現造成人類觀察到
這些反應的原因，比較可能是非生物過程，而不是生命造成的。
首先，我們必須認清一項事實，就是海盜號的相機沒有看到任何像是生命的東西，所以對火
星生命的希望只有微生物了。其次，對火星大氣與土壤所做的分析，沒有找到任何我們認為
生命「該有」的結果；土壤與大氣反倒比地球上最乾燥的沙漠還要冷、還要乾。在火星大氣
的裡，我們沒有發現足以顯示生命的甲烷氣體 ── 整顆行星甲烷含量都不到偵測極限（10億分之25）。百分之0.13的氧氣則是由光化學產生的。
每艘海盜號登陸艇進行了三項實驗，以直接測試活體生物的存在。第一個實驗室「氣體交換」
(gas change; GEX)，也稱為「雞湯」實驗，乃將火星的土壤樣本暴露在適合生命的養分液
裡。「顯蹤釋出」（Labeled release; LR）實驗則將標記有放射性碳原子的化合物滴入土壤
的樣本中，以測試土壤是否會產生任何與生命有關的（放射性）化合物。「分解釋出」
（pyrolitic release; PR）實驗同樣也標記碳原子，但是是在火星大氣裡。在給土壤中可
能存在的微生物一段時間和標記了的大氣作用後，將土壤予以烘焙，以測試大氣土壤現在是
否含有標記了的一氧化碳與二氧化碳。
令人印象深刻的是，三個實驗的結果全都顯示可能有生命存在：GEX顯示有大量氧氣釋出；
LR顯示土壤上方的放射性化合物的含量有所增加；而PR則得到正面的反應，結果與幾乎無菌的南極土很相似。但是，因為對火星土壤的分析顯示沒有任何有機物質的存在（不到10億分之幾的含量），海盜號的科學家於是重新檢視三個偵測生命的實驗，他們的結論是無機物（非生物化學）的反應 ── 例如如果火星土壤含有過氧化物就會產生此種反應 ── 也能造成 GEX、LR，及PR實驗所得到的結果。這並未「證明」火星沒有生命，甚至無法證明兩個著陸地點沒有生命，但由於針對土壤與大氣所進行的生化分析得到負面的結果，再加上簡單的化學反應也能仿效有機反應的事實，我們必須要極度的樂觀才會下結論說海盜號的實驗找到了火星生命。
剩下來最有希望在這顆紅色行星上找到的生命證據，是尋找35億年前就已經演化到能夠進
行光合作用的微生物群居的化石。這些化石說不定會類似在地球上找到的疊藻層。
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問題
1. 火星上的智慧生物要如何偵測得知地球上有生命呢？描述四種不同的偵測方法。
2. 為何我們認為火星上比較可能有微生物，而比較不會有大型動、植物呢？
3. 海盜號登陸艇上的GCMS實驗沒有在火星土壤中找到任何有機化合物，這是否證明在
登陸地點不存有火星生命呢？為什麼？
4. 在偵測的極限內（10億分之25），我們沒有在火星大氣中偵測到甲烷，這個事實在「火
星上可能有動物生命」方面，說明了什麼？
5. 為何海盜號登陸艇上的GEX（氣體交換）實驗被稱為「雞湯」實驗呢？這個實驗對火星
土壤有什麼發現？
6. 為何「顯蹤釋出」(LR)實驗要使用放射性碳原子呢？緊接在土壤樣品上方的大氣裡，
有沒有出現這種原子呢？ 這證明了什麼？
7. 「分解釋出」 (PR) 實驗顯示一氧化碳與二氧化碳裡的一些碳原子被「封鎖」在火星土
壤裡。這是否顯示火星上有生命存在？
8. 你預估「兩個著陸點恰巧位於行星上不適合生命存在的區域」這樣的機會有多大呢？
9. 為何火星極冠邊緣的地區會比接近赤道的區域更適合生命存在呢？
10. 為何我們認為如果火星是顆比較大的行星，它就一定會有比較濃厚的大氣？濃厚的大氣對於火星生命存在的可能性有何影響？
進階參考資料
譯注：過去幾年對火星 ── 尤其是尋找火星生命方面 ── 的探測進展迅速，一些前面所說的太空任務已經有了結果，像是「火星觀察者」號 (Mars Observer) 於1992年順利發射，卻在剛要進入火星軌道時和地球失去聯絡。俄國的「火星94號」則延宕多時，直到1996年底才發射升空，成為「火星96號」 (Mars 96)，但是在發射後火箭因故障而墜回地球。在1997年美國的「拓荒者號」太空船所放下的偵察車也在火星表面遊走，進行勘測。有關最近探測火星的任務，讀者可以參考網頁 http://mars.sgi.com/ 的訊息。