从沙漠里的干旱环境到南极的冰下湖，
(资料图片)
都有微生物的存在。
林 巍·中科院地质与地球物理研究所研究员
格致论道第60期|2020年11月 北京
大家好，非常高兴能够跟大家分享一下，我们在数万米的高空之上寻找和研究生命的 故事。 我是林巍，来自中国科学院地质与地球物理研究所。 火星，我相信大家都很熟悉，距离我们上亿公里之外。即使是在北京，在晚上 有时候也能看到这颗红色的星球。古人其实很早就发现了这颗星球，并且还把它跟一些灾难、不祥和战争联系起来。 所以，火星其实是很无辜的，火星的英文单词叫Mars，这个Mars其实就是古罗马的战神玛尔斯。从这个角度来讲，对于火星，我们从很早观察到它的时候就已经有了浓厚的兴趣。对火星的探索
已完成：10%// //// //// 在十九世纪的时候，我不得不提一下这位天文学家斯基帕雷利，他是一位意大利人。 ▲ 左 ： 斯基帕雷利 Giovanni Schiaparelli（ 1835- 1910） 右： 1877 年斯基 帕雷 所绘的火星地图 他第一次在火星上，观察到了一些线条型的东西，当时观察到这个以后很有意思，给它起名叫做海峡或者是沟渠。 但是，由于他是意大利人，所以这个发现从意大利语翻译成英语的时候发生了一个错误。他们把海峡或者沟渠给翻译成了运河，相信大家都知道，运河其实就是指的人工修建的河道。 这个翻译的错误随后就引发了很多人的误解，误以为火星上可能存在着智慧生命。所以有越来越多的人都加入进来想来观察火星， 甚至有一些人声称他们看到了火星人，这些火星人正在火星上面修建运河、广种植被。所以一时之间，火星人的传闻是家喻户晓的。 其实这个故事告诉了我们一个很重要的道理，那就是学好一门外语的重要性。 其实就在火星人大讨论的时候，英国的一位作家威尔斯写了一本科幻小说叫《世界之战》，也有些翻译成《世界大战》。 这个小说影响其实是非常深远的，它主要介绍了突然有一天外星人或者火星人来入侵了地球。由于火星人的科技水平远远高于我们地球人的水平，所以我们是没办法抵抗，节节败退。 就在我们快要全面失败的时候，这些火星人被我们地球上的一些不起眼的微生物给打败了。就跟现在新冠疫情有点像，只不过它感染了火星人，所以地球才得以被保护下来。 这个故事其实在当时的影响是非常非常深远的，在上个世纪三十年代以广播剧播出的时候，有很多听众是误以为火星人真的来进攻地球了，在当时一度还引发了一些恐慌。 2005年的时候好莱坞还翻拍了这个小说，是汤姆克鲁斯主演的。这部小说，它从惊悚和灾难的角度来幻想火星人和外星人。 这个是我的大女儿豆豆她想象中的火星人，而且她还画出来了。可以看出来，在孩子们这种非常天真的宇宙观当中，火星人和外星人应该代表着像可爱的小动物一样，是和平、友善的代表。 我们人类对于火星生命的探求的热情一直持续到了上个世纪的七十年代，才开始走进了一个低谷。这个起因就是在1975年的时候，美国的NASA实施了一项叫海盗号的火星探测计划。 这个计划是干什么呢？它就是到火星的表面，去寻找有没有生命存在的证据，非常遗憾的就是，通过两个探测器的研究，都没有在火星表面发现有生命存在的确切的证据。 所以，一时之间大家所认识的火星又变成了一个荒凉的极端干旱和寒冷的没有人烟的星球。人类对于火星的热情也就走到了一个低谷。 这个低谷其实一直持续了20年，到1996年的时候，美国的《科学》杂志报道了一项轰动世界的发现。 他们是在一块编号为ALH84001的火星陨石中，发现了可能是由生命活动产生的一些信号。所以科研人员就推测在早期的火星，大约是在40亿年以前，可能存在着类似于地球上微生物的这种生命。 这个发现当时是非常轰动的，时任美国总统的克林顿还专门召开了新闻发布会来报道这个发现以及它的意义。随后这个发现就引发了全世界各国的学者、从不同的角度、利用不同的手段来分析和研究这块陨石。 但是后面的研究也很有意思，有很多学者发现，可能原来我们认为的应该是一些生命过程产生的信号，可能是由一些非生命的过程产生的。比如说一些化学的过程，也是可以形成的。还有一些人认为我们看到的一些证据，是地球上的一些生命的污染。 一时之间关于这块陨石究竟能不能代表火星上曾经存在过生命，大家存在着很大的争论。这个争论一直持续到现在。 但是，毋庸置疑的一点，就是对于这块陨石的研究，可以说又把我们人类对火星生命的热情重新地点燃了。▲ 火星探测“全家福”
NASA/JPL/Roscosmos/JAXA/ESA/ISRO/JasonDavis/ThePlanetarySociety
截止到去年2019年，我们人类一共实施了44次火星探测的任务，没有包括天问一号还有2020年发射的另外两次任务。成功了多少次呢？成功了22次，也就说成功率只有一半。 我们一共实施了20次的火星登陆任务，大家可以猜一下成功了多少次？成功了8次，还不到50%。所以，我们对火星的探测是一项高风险的任务，但是这种风险并不能阻挡我们想去探测火星的热情。 就在今年的7月23号，中国的天问一号火星探测器成功地发射了，这也标志着中国的行星探测已经正式地走向了火星。天问一号会在2月份进入火星轨道，然后会再择机降落在火星的表面。 从那时起我们中国人将第一次利用自己的探测器对火星进行原位的和近距离的探测。 其实，现在已经有一些研究表明，火星它的环境是一直在演化和变化的，30多亿年前的火星环境跟我们现在的火星环境其实完全不一样。大家从这个图上就可以看出来，在那个时候的火星上有大面积的海洋、有大气，还有全球磁场的保护。随后由于未知的原因，火星的全球磁场突然消失了。是什么原因到现在都不清楚，有很多学者也在做相关的研究。全球磁场的消失了不得，太阳风和宇宙射线可以直接轰击到火星表面，所以把火星上的这个水和大气都逐步地给剥蚀掉了，才造成了我们现在看到的火星非常荒芜的这种景象。 即使是在现在的火星上，有些研究人员认为可能在火星的下面的部分区域存在一些液态的水，也有可能支持生命的存在。 其实，从我前面的介绍相信朋友们也可以了解到，其实我们对火星的原位或者是近距离的探测，无疑是我们寻找火星生命最直接的证据。 但是，不得不承认的就是火星探测任务的规划周期是非常长的，成本非常高，机会也很少，而且还有不低的失败率。探索地球上的微生物
已完成：30%////// //// 所以这就对我们提出了一些挑战，那么我们应该怎么做呢？我们是不是需要另辟蹊径去寻找一些新的线索呢？如果有线索，这些线索又在哪里呢？ 其中的一些线索可能不在火星，而就在我们现在生活的地球上面。大家可能一定都很困惑，火星生命为什么又要谈地球呢？ 在这里，我想给大家先简单地介绍一下，我们地球上一种特殊的生命形式——微生物。 相信新冠疫情的肆虐使大家对病毒这类微生物已经有了很深刻的认识，病毒只是微生物里面的一类。还有一些微生物包括像细菌、古菌，还有一部分真核生物。 微生物由于我们肉眼看不到，所以人类对它的认识也仅仅只有几百年的历史。但是，微生物这类生命形式在将近40亿年前的地球上就已经出现了。 我们整个地球的历史是45.6亿年，所以微生物是地球上最早出现的生命形式，远远早于植物、动物以及人类的出现。 而且微生物可以说是无处不在的，从我们所知的万米以下的深海一直到陆地上的120度左右的热泉里面，从沙漠里的干旱环境一直到南极的冰下湖，都有微生物的存在。 而且，在空气里以及我们每个人的皮肤、肠道里其实都存在着数以亿计的微生物。所以从这个角度来讲，微生物才是地球上真正的原住民和主人。 对于我们从事天体生物学研究来说，由于微生物它可以适应非常极端的环境，而且它能够有非常强的生存力以及传播性。 未来如果在太阳系内能够发现地外生命的话，那么很有可能是微生物这种生命形式。什么是临近空间？
已完成：50%////// //// 地球的环境是多种多样的，也是多姿多彩的，那么有非常适合我们人类居住的这种鸟语花香的宜居环境，也有像在这种干旱的、高海拔的这种不太适合居住的地区。▲ 类比现代火星的环境和地形地貌
大家如果看到上面这幅图，这是科研人员总结出来的，在地球上的将近40种环境，那么它可以在一定程度上类比一些地外的环境。比如，有我们中国的柴达木盆地，有智利的阿塔卡马沙漠，还有南极的麦克默多干谷。 在这些极端干旱的环境里面，它就可以类比现在的火星表面的环境以及火星上的一些地形和地貌。 今天跟大家分享的不是这些地面的环境，而是在我们头顶之上的这个环境，就是临近空间。它是距离我们海拔20到100公里高度这个范围，这个其实是一个非常大的空间。大家可以去想象一下，就是我们坐飞机的话，飞机的飞行高度一般是在1万米也就是10公里的高度，其实还没有到达临近空间的下界。 而卫星最低的飞行轨道高度，也就是在100到120公里左右，没有进入到临近空间。所以说它是一个飞机上不去，卫星下不来的区域。 相比较其他的空间区域，我们对于临近空间其实认识是不够的。但是这个空间又非常的有意思，特别是在它30到40公里高度的这个范围，它的高辐射、低温、低气压还有极端干燥的综合环境跟现在火星的表面是非常的可比的。 它被认为是地球上与火星环境最为类似的区域，所以我们如果想开展一些火星生命的研究，那么临近空间就给我们提供了一个天然的实验室。 其实关于临近空间生命的研究也只有几十年的历史，而且绝大多数的工作都是国外的学者开展的。那么目前已经有的这些工作告诉我们，在这个临近空间里面至少是在它的20到40公里范围，是有生命存在的确切的证据。 这其实已经是一个体积非常大的一个区域了，它可以说是地球上最大的一个生物圈。 大家还是可以想象一下，我们现在已经知道的深海，最深的在马里亚纳海沟也就是万米以下；而我们这个地面上最高的山峰——珠穆朗玛峰，也就是8000多米，8公里多。 而临近空间的体积是从20公里的高度到40公里的高度，所以说它的体积非常非常庞大。据估计每年至少有10的21次方个微生物，这是个天文数字的概念，可以通过一些气象活动、地质活动以及人类活动进入到低层大气。 再进一步，进到临近空间里面，然后它在这个区域里面就进行一个大范围的一个传输。这个空间又给我们地面上的这些陆-陆以及海-陆的微生物的大迁徙提供了一个畅通无阻的通道。 讲到这里，可能很多朋友也就非常好奇，说你刚才讲过了飞机也上不去，卫星也下不来。那你们怎么样来开展研究呢?其实随着技术的发展，现在已经有很多种平台可以帮助我们去原位地探测临近空间。 比如说像我们常用的高空气球、探空火箭、太阳能无人机、平流层飞艇等等，这些现在都可以去直接探测临近空间。而在我们现在开展的这些研究里面呢，用的都是高空气球。 其实，除了对地球临近空间感兴趣以外，我们人类已经探测过其他天体的临近空间，就是金星的临近空间。 在上个世纪80年代的时候，前苏联主导的维加计划的一部分的研究内容就是发射浮空气球，到金星的空气，大概是50公里的高度进行飘浮，然后去探测金星大气里在这个高度的各种环境参数。这也给我们提供了去认识金星大气环境的第一手资料。临近空间的生命研究
已完成：70%////////// 我们对临近空间，不管是地球的临近空间还是其他天体的临近空间都充满了兴趣。正是在这种兴趣的驱动下，同时也是为了更好地去认识和开发利用临近空间，更好地去认识地外的生命， 所以我们团队就跟国内的其他合作者，最近几年开展了中国的临近空间生命研究。▲ 自主研制的临近空间天体生物学实验平台
这是我们自主研制的一个临近空间天体生物学的综合实验平台，里面包括了不同的载荷。比如说有临近空间的生物暴露载荷、原位生物收集载荷还有一些环境探测的载荷。 主要是来干什么呢？ 其实就是两句话， 一个就是“带上去”，一个就是“采下来”。所谓的“带上去“，就是我们想把地面的一些模式的微生物带到临近空间去，让它们暴露在临近空间这种非常极端的环境下，然后再带回实验室进行分析。看看经过了这种临近空间的洗礼以后，这些生命会发生什么样的改变？ 所谓的“采下来”，就是我们到临近空间去，在那个地方把那里生活的生命采回来，来研究临近空间生物圈的多样性以及它们是如何适应这些极端环境的。 在2019年和2020年，我们在我国的青海开展了两次的临近空间生物学载荷飞行验证实验，我们的实验场地是在青海的大柴旦。 ▲ 飞行实验地点：中国青海 大家可以看到，左手边的这幅图就是我们外场的一个整体的照片，其中这些黄色的帐篷其实就是我们日常工作的场所。包括载荷的组装调试、集成测试等等都是在这个帐篷里完成的。 其实气球的发放非常受到气象条件的影响，特别是像地面的风速还有风向等等。所以说能够让我们成功发射和回收的这个时间窗口是非常窄的。 在外场的时候，所有的同志们基本上都是加班加点地在干活。右边的这幅图片就是当时大家在挑灯夜战的时候，我们用相机记录下来的瞬间， 同时也是非常非常漂亮的一个景象。 ▲ 左：NASA 右：刘佳 摄 那么在这里我给大家展示两张照片，请大家看一看这两张照片有什么区别？左边的这张图片是上个世纪70年代，美国阿波罗登月计划的阿波罗15号在月球上拍摄的月球车。右边是我们团队的刘佳博士在青海外场拍摄的一台设备。 由于夜间灯光特殊的照射，这台设备给我们一种身处于月球之上的错觉。当时看到这个照片大家也是觉得非常惊讶，竟然能拍出这种效果。▲ 蔡榕 孙建颖，2020
这种高空气球，其实它的原理跟我们平常玩的氢气球是一样的，但是我们这里给它充的气不是氢气，而是更加安全的氦气。 这是当时充气时的景象，大家也可以看出这个气球是非常庞大的，我们充气完成了以后，就可以用这个气球带着我们的载荷到达临近空间。▲ 黄宛宁 提供
大家看到这个下面悬挂的就是集成了载荷的载荷舱。如果中间大家看仔细的话有一个红白相间的，那就是降落伞，在降落伞之上才是我们的气球。 到达平飞高度了以后，我们所有的载荷就开始正常地工作，等所有的实验完成了以后，大家可以看到我们会切割气球，把气球和载荷舱给分离开，同时降落伞打开。降落伞会携带着载荷和载荷舱安全地降落到我们预期的地点。 随后，回收小队的成员就会迅速地赶往回收地点来安全地回收这些载荷仪器以及各种各样的生物样品。 这是我们自主研制的临近空间生物暴露载荷。在平飞高度达到30公里时，就可以把遮光盖打开。里面一个一个的小圆格放的都是不同的生物样品。我们就是要把地面上的这些生物样品带到临近空间里面去。看一看这些极端环境会对它有什么样的影响。 等实验结束了以后，我们再通过地面遥控把遮光盖再关闭，然后让载荷再降落和回收。其实在做这些科学实验的同时，我们还能够看到一些一般在地面上见不到的景象。▲ 蔡榕 孙建颖，2020
比如说上面的这张图片，就是我们在高空气球上对着地面拍摄的美景，还是非常让人感觉到震撼的。▲ 蔡榕 孙建颖，2020
那么这两幅图片，是在气球上搭载的红外相机拍摄的藏羚羊在夜间活动时候的情景。 我们的样品下来以后，有一些样品就需要马上进行处理。左边的这幅图片是我们的同事，大家可以看到外面的环境是橘黄色的，他就在帐篷里面进行一些初步的样品的处理。随后这些样品都会被运回实验室，再进行进一步的全面系统的分析。 在这里跟大家分享的仅仅是我们对临近空间生命研究的一部分的内容。 在未来的几年，我们还将对我国不同地区的有代表性的临近空间里面的这些微生物进行更加系统的研究。 这些研究不仅可以帮助我们去更好地认识地球生命上一些很有意思的科学问题，比如说地球生物圈的上边界在哪里?我们地球生命的生存极限是什么?等等。 更有意思的是，它还可以去帮助我们去回答一些地外生命研究当中的一些问题，比如说火星上是否可能存在生命？我们地球上像临近空间这种极端环境里面的生命，它是否可以在其他天体上面生存？未来如果我们要去探测火星，或者甚至我们人类要去拓殖火星的时候，我们是不是可以让这些极端环境中的微生物先去改造火星呢？ 这些很有意思的问题，可能在未来的这些临近空间以及其他类火星环境的研究中都会找到答案。 临近空间的生物学的科学实验是一个浩大的工程。 从科学问题的提出，到载荷的设计研制，再到集成测试，一直到气球的发放、回收都是需要有不同背景的科研人员以及工程技术人员之间的通力协作。 所以说在这里，我要衷心地感谢所有的参研、参试的人员，谢谢大家！- END -
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