火星生命本身会不会让这个星球不适合居住

四十亿年前，太阳系还很年轻。几乎完全形成，它的行星开始经历小行星撞击的频率有所降低。我们自己的星球早在39亿年前就可以成为宜居星球，但它的原始生物圈与今天大不相同。生命还没有发明光合作用，大约5亿年后，光合作用将成为它的主要能量来源。因此，我们星球海洋中的原始微生物——地球上所有当前生命形式的共同祖先——必须依靠另一种能源生存。他们消耗通过热液系统和火山从地球内部释放出来的化学物质，这些化学物质在大气中以气体的形式积聚起来。

我们生物圈中一些最古老的生命形式是被称为“氢营养产甲烷菌”的微生物，它们特别受益于当时的大气成分。它们以大气中丰富的CO2(二氧化碳)和H2(二氢)为食(H2占大气成分的0.01%至0.1%，而目前约为0.00005%)，它们利用了足够的能量来殖民我们星球的海洋表面。

作为回报，他们向大气释放了大量的CH4(又名甲烷，他们由此得名)，这是一种强效温室气体，会积累并加热气候。由于当时我们的太阳不像今天那么明亮，如果没有其他方面的干预，它可能无法在地球表面维持温和的条件。因此，多亏了这些产甲烷菌，地球上生命的出现本身可能有助于确保我们星球的可居住性，为随后数十亿年的陆地生物圈的进化和复杂化创造了合适的条件。

虽然这是对地球早期可居住性发展的最可能的解释，但太阳系的其他行星，比如我们的邻居，红色星球，情况如何?随着我们继续探索火星，越来越清楚的是，与使产甲烷菌在地球上的海洋中繁衍生息的环境条件相似的环境条件正在火星表面形成。

微生物生命可能居住在火星多孔外壳的前四公里内。在那里，它可以躲避恶劣的地表条件(特别是有害的紫外线)、与液态水相容的更有利的温度，以及以地壳内释放的大气气体形式存在的潜在丰富能源。

鉴于这些方面，我们的研究小组自然而然地引出了一个关键问题：地球上发生的相同生命产生事件是否也发生在火星上?

四十亿年前的火星肖像

我们开始使用三个模型来回答这个问题，最终在最近发表在《自然天文学》科学杂志上的结果中达到了高潮。第一个模型使我们能够估计火星表面的火山活动、其大气的内部化学成分以及某些化学物质向太空的排放可能如何决定了火星大气的压力和成分。然后，相同的特征将决定气候的性质。

第二个模型试图确定火星多孔地壳的物理和化学特征——即温度、化学成分和液态水的存在。这些部分取决于地表条件(即地表温度和大气成分)，部分地取决于行星的内部特征(即内部热梯度和地壳孔隙度)。

前两个模型使我们能够模拟年轻行星火星的地表和地下环境。然而，关于这种环境的主要特征(例如，当时的火山活动水平和地壳热梯度)仍然存在许多不确定性。为了解决这个问题，我们使用我们的模型探索了大量的潜在特征，这引发了一系列关于火星在大约40亿年前的样子的场景。

第三个也是最后一个模型与假设的火星产甲烷微生物的生物学有关，基于这样的理论，即它们与地球上的产甲烷菌相似，至少在能源需求方面。使用这个模型，我们可以根据前两个模型生成的每个环境场景，评估我们的微生物在地球上的条件与火星上的地下环境条件相比的可居住性。

在给定条件被认为适合居住的情况下，第三个模型评估了这些微生物如何在火星表面下生存，以及与地壳和地表模型一起评估地下微生物生物圈如何影响地壳化学成分以及大气和气候。通过将产甲烷微生物生物学的微观尺度与火星气候的全球尺度相结合，这三个模型共同帮助模拟了火星行星生态系统的行为。

火星地壳内很可能存在地下宜居性

一些地质线索表明，40亿年前火星表面有液态水流，形成了河流、湖泊，甚至可能形成海洋。因此，火星气候比今天更温和。在解释这种气候是如何产生的时，我们的表面模型假设火星有一个稠密的大气层(与我们今天地球的密度大致相同)，其中特别富含CO2和H2，甚至比当时的地球。

这种富含CO2的大气环境可能本质上为大气中的H2提供了一种非常有效的温室气体的特征。在相同条件下，这种H2会比CH4更强大。换句话说，如果火星大气的1%是H2，那么气候会比1%是CH4时更热。

根据我们的几个模型生成的情景，仅凭这种温室效应还不足以产生维持火星表面液态水所需的气候条件，这意味着这颗红色星球被冰覆盖。此外，如果火星地壳深处有合适的温度，它们也不会使它更适合居住。由于被地表冰层阻挡，大气中的CO2和H2(产甲烷生命的基本能源)无法穿透地壳。

尽管如此，我们的大多数情景都表明，至少在其较温暖的地区，地球表面可能存在液态水，那里大气中的CO2和H2确实可以穿透地壳。我们的生物模型证明，在所有这些情况下，产甲烷微生物都会找到合适的温度，并可以获得足够大的能源，以便它们在最初几百米的地壳内生存。简而言之，尽管我们还没有任何关于火星生命的事实证据，无论是过去还是现在，但40亿年前的火星地壳很可能存在一个由产甲烷微生物组成的地下生物圈。

原始生物圈引发的冰河时代

这些假设的火星产甲烷生命形式是否会像地球上的同类一样使地球气候变暖?唉，答案似乎是：不。以产甲烷菌为基础的地下生物圈将消耗地球上大部分的H2并释放大量CH4，从而导致火星大气发生深刻变化。

然而，正如我们所看到的，在早期火星大气的背景下，H2是一种比CH4更强大的温室气体，它们各自的温室效应与在地球当前大气中观察到的温室效应相反，或者在地球大气中观察到的温室效应是相反的。早期的气氛。虽然地球上产甲烷作用的出现帮助建立了有利的气候并巩固了陆地可居住性，但火星上的产甲烷生命——通过消耗地球大气中的大部分H2——将使其气候急剧冷却几十度，并导致更大的冰盖。即使在没有地表冰的地区，我们假设的微生物也可能不得不寻找更可行的温度，向地壳深处移动离它们的大气能源更远。通过这种方式，这些生命形式的行为会导致火星变得不像最初那样适合生命存在。

自我毁灭：宇宙生命的标准

在1970年代，JamesLovelock和LynnMargulis提出了盖亚假说，该假说提出地球的可居住性是由一个涉及陆地生物圈和地球本身的协同、自我调节系统维持的。在这个理论中，我们人类是一个不幸的反常现象。此后，盖亚假说促使“盖亚瓶颈”思想的出现。这假设宇宙并不缺乏生命的必要条件，但当生命确实出现时，它很少能够维持其行星环境的长期宜居性。

我们的研究结果更加悲观。正如火星产甲烷的例子所示，即使是最简单的生命形式也会积极危害其行星环境的可居住性。

四十亿年前，太阳系还很年轻。几乎完全形成，它的行星开始经历小行星撞击的频率有所降低。我们自己的星球早在39亿年前就可以成为宜居星球，但它的原始生物圈与今天大不相同。生命还没有发明光合作用，大约5亿年后，光合作用将成为它的主要能量来源。因此，我们星球海洋中的原始微生物——地球上所有当前生命形式的共同祖先——必须依靠另一种能源生存。他们消耗通过热液系统和火山从地球内部释放出来的化学物质，这些化学物质在大气中以气体的形式积聚起来。

我们生物圈中一些最古老的生命形式是被称为“氢营养产甲烷菌”的微生物，它们特别受益于当时的大气成分。它们以大气中丰富的CO2(二氧化碳)和H2(二氢)为食(H2占大气成分的0.01%至0.1%，而目前约为0.00005%)，它们利用了足够的能量来殖民我们星球的海洋表面。

作为回报，他们向大气释放了大量的CH4(又名甲烷，他们由此得名)，这是一种强效温室气体，会积累并加热气候。由于当时我们的太阳不像今天那么明亮，如果没有其他方面的干预，它可能无法在地球表面维持温和的条件。因此，多亏了这些产甲烷菌，地球上生命的出现本身可能有助于确保我们星球的可居住性，为随后数十亿年的陆地生物圈的进化和复杂化创造了合适的条件。

虽然这是对地球早期可居住性发展的最可能的解释，但太阳系的其他行星，比如我们的邻居，红色星球，情况如何?随着我们继续探索火星，越来越清楚的是，与使产甲烷菌在地球上的海洋中繁衍生息的环境条件相似的环境条件正在火星表面形成。

微生物生命可能居住在火星多孔外壳的前四公里内。在那里，它可以躲避恶劣的地表条件(特别是有害的紫外线)、与液态水相容的更有利的温度，以及以地壳内释放的大气气体形式存在的潜在丰富能源。

鉴于这些方面，我们的研究小组自然而然地引出了一个关键问题：地球上发生的相同生命产生事件是否也发生在火星上?

四十亿年前的火星肖像

我们开始使用三个模型来回答这个问题，最终在最近发表在《自然天文学》科学杂志上的结果中达到了高潮。第一个模型使我们能够估计火星表面的火山活动、其大气的内部化学成分以及某些化学物质向太空的排放可能如何决定了火星大气的压力和成分。然后，相同的特征将决定气候的性质。

第二个模型试图确定火星多孔地壳的物理和化学特征——即温度、化学成分和液态水的存在。这些部分取决于地表条件(即地表温度和大气成分)，部分地取决于行星的内部特征(即内部热梯度和地壳孔隙度)。

前两个模型使我们能够模拟年轻行星火星的地表和地下环境。然而，关于这种环境的主要特征(例如，当时的火山活动水平和地壳热梯度)仍然存在许多不确定性。为了解决这个问题，我们使用我们的模型探索了大量的潜在特征，这引发了一系列关于火星在大约40亿年前的样子的场景。

第三个也是最后一个模型与假设的火星产甲烷微生物的生物学有关，基于这样的理论，即它们与地球上的产甲烷菌相似，至少在能源需求方面。使用这个模型，我们可以根据前两个模型生成的每个环境场景，评估我们的微生物在地球上的条件与火星上的地下环境条件相比的可居住性。

在给定条件被认为适合居住的情况下，第三个模型评估了这些微生物如何在火星表面下生存，以及与地壳和地表模型一起评估地下微生物生物圈如何影响地壳化学成分以及大气和气候。通过将产甲烷微生物生物学的微观尺度与火星气候的全球尺度相结合，这三个模型共同帮助模拟了火星行星生态系统的行为。

火星地壳内很可能存在地下宜居性

一些地质线索表明，40亿年前火星表面有液态水流，形成了河流、湖泊，甚至可能形成海洋。因此，火星气候比今天更温和。在解释这种气候是如何产生的时，我们的表面模型假设火星有一个稠密的大气层(与我们今天地球的密度大致相同)，其中特别富含CO2和H2，甚至比当时的地球。

这种富含CO2的大气环境可能本质上为大气中的H2提供了一种非常有效的温室气体的特征。在相同条件下，这种H2会比CH4更强大。换句话说，如果火星大气的1%是H2，那么气候会比1%是CH4时更热。

根据我们的几个模型生成的情景，仅凭这种温室效应还不足以产生维持火星表面液态水所需的气候条件，这意味着这颗红色星球被冰覆盖。此外，如果火星地壳深处有合适的温度，它们也不会使它更适合居住。由于被地表冰层阻挡，大气中的CO2和H2(产甲烷生命的基本能源)无法穿透地壳。

尽管如此，我们的大多数情景都表明，至少在其较温暖的地区，地球表面可能存在液态水，那里大气中的CO2和H2确实可以穿透地壳。我们的生物模型证明，在所有这些情况下，产甲烷微生物都会找到合适的温度，并可以获得足够大的能源，以便它们在最初几百米的地壳内生存。简而言之，尽管我们还没有任何关于火星生命的事实证据，无论是过去还是现在，但40亿年前的火星地壳很可能存在一个由产甲烷微生物组成的地下生物圈。

原始生物圈引发的冰河时代

这些假设的火星产甲烷生命形式是否会像地球上的同类一样使地球气候变暖?唉，答案似乎是：不。以产甲烷菌为基础的地下生物圈将消耗地球上大部分的H2并释放大量CH4，从而导致火星大气发生深刻变化。

然而，正如我们所看到的，在早期火星大气的背景下，H2是一种比CH4更强大的温室气体，它们各自的温室效应与在地球当前大气中观察到的温室效应相反，或者在地球大气中观察到的温室效应是相反的。早期的气氛。虽然地球上产甲烷作用的出现帮助建立了有利的气候并巩固了陆地可居住性，但火星上的产甲烷生命——通过消耗地球大气中的大部分H2——将使其气候急剧冷却几十度，并导致更大的冰盖。即使在没有地表冰的地区，我们假设的微生物也可能不得不寻找更可行的温度，向地壳深处移动离它们的大气能源更远。通过这种方式，这些生命形式的行为会导致火星变得不像最初那样适合生命存在。

自我毁灭：宇宙生命的标准

在1970年代，JamesLovelock和LynnMargulis提出了盖亚假说，该假说提出地球的可居住性是由一个涉及陆地生物圈和地球本身的协同、自我调节系统维持的。在这个理论中，我们人类是一个不幸的反常现象。此后，盖亚假说促使“盖亚瓶颈”思想的出现。这假设宇宙并不缺乏生命的必要条件，但当生命确实出现时，它很少能够维持其行星环境的长期宜居性。

我们的研究结果更加悲观。正如火星产甲烷的例子所示，即使是最简单的生命形式也会积极危害其行星环境的可居住性。