破冰生命

**破冰生命**（英語：Icebreaker Life）是向美國宇航局發現計劃提出的一項火星著陸器任務概念，該任務包括一台以鳳凰號和洞察號探測器為藍本設計的固定著陸器，它將攜帶天體生物探測設備，包括一具在北部平原冰結地面取樣的鑽杆，以搜索當前或過去火星生命的生物印記。

「破冰生命」的科學目標集中於對冰結地面取樣，以了解其保存和保護生物分子或生命印跡的可能性。

「破冰生命號」在 2015 年或 2019 年發現計劃提案競選中未被選中。

## 任務設置

「破冰生命」任務是依據 2008 年成功的鳳凰號著陸器平台和火星北部著陸點方面而設計的，它也以太陽能供電，並能夠容納探杆和其餘的設備載荷，只需對原來的著陸器稍作修改。

假如它被選為發現計劃第 13 次任務，著陸器將不遲於 2021 年 12 月發射，並將於 2022 年抵達火星北部平原，在地面的作業時間將持續 90 個火星日。所有指令、控制和數據中繼都按照「鳳凰號」任務的全套模式，通過火星軌道器直接發送至地球備份。「克里斯托夫・麥凱」(Christopher McKay) 為該任務的首席研究員。

2010 年，「破冰者號」搭載的探測設備被提議作為基本科學載荷，用於開發一項被稱為「紅龍號」的美國宇航局 - 太空探索公司聯合任務。

## 目標

火星「破冰生命」任務將聚焦以下科學目標：

1. 尋找作為生命確鑿證據的特定生物分子。
2. 全面搜索地面冰中的有機分子。
3. 查明地面冰的形成過程和液態水的作用。
4. 了解火星極地冰膠結土壤的力學性質。
5. 根據維持生命所需的元素、能源和可能的有毒元素，評估近期前環境 (500 萬年前) 的宜居性。
6. 比較北部平原和中緯度地區的元素組成。

為進一步了解當前北方平原冰川的宜居性，並直接搜索有機物，火星「破冰生命」任務重點將圍繞以下科學目標：

1. 尋找代表過去生命確鑿證據的特定生物分子，生物分子的存在可能是因為「鳳凰號」著陸點在火星近代史上很可能是適宜居住的。地面冰可保護火星上的有機分子免受氧化和輻射的破壞，因此，來自生物或隕石的有機物可在極地富含冰的地面上以明顯的濃度被探測到。
2. 全面尋找地面冰中的有機分子，如果存在宜居的條件，那麼任何有機物都可能都是來自最近的 (<1000 萬年) 生物源。
3. 測定地面冰凍的屬性和液態水的活動。在過去 < 1000 萬年內，由於火星日照軌道的變化，北極地區的表層土壤中可能產生過液態水。
4. 了解火星極地冰膠結土壤的力學性質，極地冰可能是人類探索的一種資源，其力學性質將反映冰和土壤的地層特徵，為氣候變遷模型提供了依據。
5. 根據維持生命所需的元素、能源和可能的有毒元素，評估近期環境的宜居性。如果存在二價鐵，則鳳凰著陸點的高氯酸鹽就能提供可用的能源。穩定的氮源，如硝酸鹽，是宜居性環境所必需的。
6. 比較北部平原和中緯度地區的元素組成。

重複樣本可暫做保存，以作為火星樣本取回任務帶回地球的目標樣本，假若這些樣本被證明含有有機物的生物印記，那麼將它們送回地球的興趣就會非常高。

## 科學考察

以前的任務，尤其是「鳳凰號」 任務的探測結果表明，北極平原上的冰膠結地面很可能是目前所知火星上最宜居的地方。在 500 萬年前的高傾角時期，近地表冰可能提供了充分的水活度 (Aw)。相較於現在 25° 的軌道傾角，當時火星的軌道傾角為 45°，地面冰可能融化到足以保存有機分子，包括有機物的生物印記。

1976 年發射的兩架「海盜號」著陸器為首次，也是迄今為止唯一一次在火星上尋找生命存在的活動。依據微生物會像地球上的一樣廣泛存在於土壤中，並會對液態水添加的營養物作出反應的假設，生物學實驗試圖檢測活的有機體。兩艘「海盜號」著陸器的生物實驗都成功進行，儀器顯示出了活性細菌的代謝跡象，但在對樣本重複熱處理時這一跡象並沒再出現。

其他儀器對有機化合物的檢測提供了負面結果。「海盜號」生命探測任務的結果，充其量普遍被專業界認為是尚無定論。科學家們推斷，這一模稜兩可的結果可能是由土壤中的氧化劑引起的。「鳳凰號」上的生物分析儀 (熱量和逸出氣體分析儀) 也因土壤中存在氧化物而失效，但該著陸器能夠識別：高氯酸鹽。目前「好奇號」火星車科學實驗使用的火星樣本分析儀有三種能力，使其可在受到高氯酸鹽干擾的情況下仍能檢測出有機物。

沒有結果將證明類似地球的生命很可能不存在於地面冰中，按理地面冰可以說是目前所知火星上最宜居的環境了，這意味著火星上一般不存在類似地球的生命，這也降低了人類探索或取樣返回時的生物危害風險。然而，這並不排除沒有類似地球生物印記的生命。

### 生物分子保存

「破冰生命」任務的一個關鍵目標是檢驗假設，即由於冰對氧化劑和輻射的屏蔽，極地富冰地面的有機物濃度很高，可能會在極地富冰層地面上檢測到明顯濃度的來自隕石的非生物有機物，因此，這也反映了冰實際起到了保護和保存有機分子的作用，無論它們是否是生物分子還是非生物分子。

如果發現了非生物有機物，那麼北極地區將成為未來引人關注的天體生物學任務目標，特別是因為這種冰在最近 (500 萬年前) 可能的宜居性。目標生物分子將是胺基酸、蛋白質、多糖、核酸如脫氧核糖核酸 (DNA)、核糖核酸 (RNA) 及其一些衍生物，參與氧化還原反應的煙醯胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+), 作為細胞內信號的環腺苷酸 (cAMP)，以及由細菌發酵形成的聚合化合物，如腐植酸 (humic acids) 和聚穀氨酸等。

**電離輻射**

電離輻射和光化學氧化劑在乾燥的表土中更具破壞性，因此，只有位於深達～1 米 (3.3 英尺) 處的有機分子才可能被冰屏蔽，不受表麵條件的影響。著陸點理想的沉積速率應確保 1 米 (3.3 英尺) 深的鑽孔能取到 600 萬年的沉積物。

**高氯酸鹽**

高氯酸鹽是元素氯中氧化能力最嚴重的種類，但在火星環境條件下它不起反應。可是若加熱到攝氏 350° 以上，高氯酸鹽會分解並釋放出活性氯和氧。因此，「海盜號」和「鳳凰號」對土壤的熱處理會破壞他們要檢測到的有機物。所以，「海盜號」沒有檢測到有機物質，也沒有檢測到氯化有機物，這可能反映了高氯酸鹽的存在，而非不存在有機物。

與此特別相關的是，地球上的一些微生物是通過高氯酸鹽的厭氧還原異化而生長的，所用的一種特殊酶 -「高氯酸鹽還原酶」(perchlorate reductase) 存在於這些微生物的所有已知實例中。此外，高氯酸鹽對人類有毒，因此了解火星上高氯酸鹽的化學屬性和分布可能是人類首次登陸前的重要先決條件。

### 宜居性

雖然太陽光是生命的強大能源，但在目前的火星上不太具有生物學用途，因為它使得火星表面的生命暴露在極其致命的輻射和乾燥環境下。

研究小組估計，如果著陸點的冰膠結地面事實上在 500 萬年前溫度升高到攝氏 - 20° 以上，那麼由此產生的水活度 (Aw=0.82) 將在土壤和冰下面受保護層之下形成能讓微生物活動的薄水膜。「破冰生命」將研究二價鐵、硝酸鹽和高氯酸鹽作為生物有用的氧化還原偶聯或能量源在地下冰中的濃度和分布。
麥凱表示，地下化學自養是火星生命的有效替代能源。他認為，如果合適的還原材料可用，高氯酸鹽和硝酸鹽可以形成氧化還原偶聯中的氧化配對。

**固氮作用**

在碳之後，氮可以說是生命所需的最重要元素。因此，需要測量 0.1% 至 5% 範圍內的硝酸鹽，以解決其發生和分布問題。大氣中的氮 (如 N2) 含量較低，還不足以支持生物結合的固氮作用。以硝酸鹽形式存在的氮，如果存在的話，可以作為人類開發的一種資源，既可以作為植物生長的養分，也可以用於化學處理。

在地球上，硝酸鹽與沙漠環境中的高氯酸鹽相關，在火星上也可能如此。預計硝酸鹽在火星上是穩定的，並在衝擊和電離過程中形成。目前沒有有關它的可用數據。

## 建議的探測設備

「破冰生命」將搭載一架旋轉衝擊鑽，且擬議的科學儀器已在相關類似環境和火星上進行過測試。

* 生命跡象檢測 (固態) 儀可通過螢光免疫分析檢測整個細胞、特定複雜有機分子和聚合物。使用單個生命探測晶片 (LDCHIP) 測量幾平方厘米，固態抗體庫可以檢測多達 300 種不同的有機分子，該儀器將攜帶 16 個生命探測晶片。
* 濕化學實驗室 (WCL) 是一台強大的分析儀器，可測量冰膠結地面中的 PH 值、氧化還原電位 (Eh)、導電率和溶解離子。濕化學實驗室曾在 2007 年「鳳凰號」著陸器任務中成功使用。
* 一台雷射解吸質譜儀 (LDMS) 將檢測和描述大範圍非揮發性有機化合物的特徵，雷射解吸質譜儀採用脈衝雷射解吸 / 電離 (LDI) 處理，在火星氣壓環境下，直接從微粒樣本分子中採集離子，無需真空加載，雷射解吸質譜儀方法不受高氯酸鹽的影響。
* 旋轉衝擊鑽和一套選定的儀器。鑽頭穿透 1 米 (3.3 英尺) 深的冰膠結地面，採掘出的土壤由自動化樣本處理系統取樣。
* 著陸器使用「鳳凰號」表面立體成像儀 (SSI) 監測鑽孔和樣本傳送操作。它將提供重要的背景信息，以估計冰層厚度，並了解可能影響任務操作和鑽孔布置的任何地表狀況。

## 行星保護

該任務任務必須符合美國航天局和國際空間研究委員會制定的行星保護要求。

## 另請參閱

* 天體生物學
* 生物氧化劑與生命檢測
* 火星生物探測器
* 火星探測
* 火星 2020
* 火星水文

 

## 參考文獻