如何评价火星上发现第一个液态水湖？发现生命的可能性是不是更大了？

rynet

非常失落，可能未来这个世界变得无比波澜壮阔，可惜我生早了。

此人正在学习

早上到办公室，开电脑，进知乎，然后吓了一跳——从未遇到过同一个问题这么多人邀请回答……看来是出大新闻了？
火星发现液态水？咋回事？我之前在一个回答里曾经有一个斩钉截铁的结论：火星表面不可能存在液态水，难道……被打脸了？
仔细看新闻，原来是地下水而已。不是地表水，火星的环境下不可能存在液态地表水。




@haibaraemily 已经对这个发现的细节介绍得很透彻，所以我只负责评价。


如何评价？简单评价：不宜过度解读，很大概率仅仅是又增加了一个有液态水的星球而已。


一、火星可能存在地下水，这是早就被预料到的事。（ @刘博洋 的回答中有介绍）

火星表面有固态的水冰，这是很早就发现的了，虽然量不是特别多，但足以证明火星上的水并没有丧失殆尽。既然水没有全部丢失，那么存在液态的地下水的可能性就很大。
这次的发现只是（可能）证实了原有的猜想。


二、在地球以外的地方有液态水，已经不是第一次发现了。

木卫二和土卫二表面都被水冰覆盖，天文学家推测其冰下可能存在液态海洋。
2008年，科学家们观测到了从土卫二表面喷出的水蒸气，这一观测结果证明了该卫星上存在着液态水（维基百科语）。


三、地下水是否能孕育生命？这个问题挺复杂，值得好好讨论一下。

这个问题可以从两个角度来思考。


（1）、如果火星和土卫二原本没有生命，是否可以从地下水中孕育出生命？


关于生命如何诞生，其实科学界目前还没有研究清楚，有的只是各种猜想和假说。
主流的假说，当然是生命必须诞生于液态水中。
生命，至少我们现在所认知的生命，都是由复杂的化学物质构成的，而气体的物质密度太低，且化学稳定性太差，难以支持形成这么多种复杂化合物；而固体中的原子与分子被约束在固定位置，也没有机会形成如此丰富的化合物。所以，只有液体中可望形成生命，而目前我们唯一了解的生命形式，是以水为基础环境的，所以天文学家会孜孜不倦地在太空中寻找水。（也许可以存在以别的液体为基础的生命——例如土卫六上的液态甲烷，但我们目前对这方面的知识了解太少，只能开脑洞而难以进行系统性研究。）


首先，目前所有已知的生命，都是以氨基酸和核苷酸为基础的，而它们都是含氮的化合物——了解一下氮的化学性质，可知这些化合物在自然条件下很难产生，一般认为需要闪电或强烈紫外线照射，而这都只能在大气层中发生——在大气中形成的生命基础物质进入地表水中进而演化出生命。
当然，也许存在我们尚不清楚的机制在没有闪电和紫外线的环境中形成生命物质，但就目前的认知来看，在地下水中无中生有地产生生命，概率还是比能够直接接触大气层的地表水低。


其次，目前火星和土卫二都被发现有地下水，但这二者其实还是有显著区别的。
土卫二表面完全被冰覆盖，其水含量之巨大可想而知，冰壳下的液态水，估计也是贯通全球的巨大海洋。而火星的地下水湖，估计只能在个别地区零星分布，规模与土卫二不可同日而语。
生命的诞生是小概率事件，小概率事件的实际发生，通常要建立在巨大的基数上，从这个角度去考虑，火星地下水中孕育出生命的概率不如土卫二高。


再次，土卫二位于土星轨道，距离太阳约9.6天文单位，表面平均温度仅75K（-198℃），其地下存在液态水的原因是遭遇了潮汐加热：卫星在环绕行星的椭圆公转轨道上运行时，因为与行星距离的变化导致潮汐力的周期性变化，引起卫星周期性变形，这就像反复弯折一根铁丝会导致铁丝发热一样，在卫星内部产生大量的热，融化了冰的下层。从土卫二上存在冰火山的喷发来看，其水下液态海洋的温度不会低，因此在冰壳裂缝处的减压区域会发生沸腾从而引起喷发。目前我们并不清楚土卫二的冰壳有多厚，也就无从了解其液态海洋承受的压力，无法知道其海水的沸点是多少，但有人估计其海水温度甚至可能（至少部分）比地球海水的温度更高。
火星地下水的温度，仅仅依赖于1500米深度下火星岩石的温度加热，估计是不如土卫二液态海洋的温度的。
生命的诞生，现在一般认为需要较高的温度（限定于水的液态温区）——只有较高的温度，才会有足够快的化学反应速度来形成足够的生命基础化合物。从这个角度来看，火星地下水孕育生命的概率也是不如土卫二的。


【【【【【 跑题，详细讨论一下生命形成与温度之间的关系 】】】】】
我们知道，化学可以认为是物理学的一个分支，而生物学可以认为是化学的衍生，而物理学——包括其衍生的化学和生物学——都遵循一个宇宙的共同规律：温度越高越简单，温度越低越复杂。
在宇宙爆炸最初瞬间，宇宙中只有一种相互作用，随温度降低，引力首先分离出来，然后强相互作用出现了，最后弱相互作用与电磁力分离。最早的宇宙也没有基本粒子，温度降低后各种粒子开始出现，然后组合成更复杂的各种元素，而当温度降到数千度以下后，才开始有了化学现象和凝聚态——原子和原子可以组合成分子，各自独立运动的原子和分子也可以凝聚成液体、固体。
想象一下，假设太阳核心附近生活着一个有智慧的精灵，她见到的世界就只有等离子体——带正电的核和带负电的电子，她必须运动到太阳表面附近才知道原来核和电子还可以组合成原子，原子和原子还可以结合成分子。但她无论如何也想象不出来，这些分子还可以凝结成液体，甚至千变万化的各种晶体，除非她能离开太阳来到温度更低的行星。
生命的本质是什么？目前没有公论，但从物理学和哲学的角度来看，构成生命的物质形态，是随着宇宙温度越来越低，物理规律越来越复杂，在低温下自然形成的一种复杂的凝聚态现象。
所以我们可以猜想，越低的温度下，越可能存在更复杂或高级的生命形态——比如在地球上，硅基生命是无法存在的，因为硅基有机物在地球这样的温度下无法稳定存在。但在一个温度很低的星球上——温度低到硅基有机物足够稳定——很可能存在硅基生物，甚至硅-碳混合生物，其复杂性远高于我们，并因此可能进化出比我们复杂和高级得多的生物。
看到这里，你可能会说，温度越低越有利复杂生命的形成？那我们是不是应该往宇宙中最冷的地方去寻找生命呢？
你这样想就太简单了。是的，温度越低越能形成复杂的东西，但你别忘了，化学反应的速度，从整体来看，是温度越低，反应越慢的。并且这个反应速度，总体看是随温度下降而呈指数下降的。
以地球生命为例，地球生命大约诞生于地球形成10亿年后，或者说诞生于宇宙形成100亿年后。如果硅基生命真的可以在一个很低的温度下形成，那么我们有理由相信，硅基生命的诞生，很可能需要1000亿年甚至一万亿年，而宇宙还没有这么长的历史。
因此，尽管理论不禁止宇宙中形成各种不同原理、不同形态的奇葩生命，甚至比我们复杂、高级很多的生命，但依据宇宙的基本规律来看，我相信那些复杂的低温生命到目前为止还没来得及诞生，像我们这样的碳基生命很可能是宇宙中已经出现的唯一生命类型（当然，碳基生命很可能有与地球完全不同的形态，比如不依赖于水而是形成于另外某种液体）。
……
我为什么要跑题说这个？因为后面会用到。
……
【【【【【 跑题结束】】】】】


关于（1）的总结：

考虑从地下水中诞生生命的可能性，依据现有理论（需要空气、闪电或紫外线），概率比较低，如果以后发现这些地方真的孕育出了生命，那么就说明我们现在关于生命物质形成的主流理论可能是有问题的。火星地下水孕育出生命的可能性，不如土卫二。

（2）、如果火星地下水是早期火星地表海洋的残留，是否可能早期火星的液态海洋已经孕育出生命，并在现在的地下水中保留？


火星地表现在没有液态水，也不可能存在液态水，主要原因不是温度太低——火星表面平均温度虽然只有210K（-63℃），但在其赤道地区，最高温度甚至可以高到308K（35℃）。火星表面不能存在液态水的原因是气压太低。
我们来看看水的相图：
水的三相点：273.16K，611.73Pa。
火星表面的大气压636Pa，仅仅略高于611.73Pa。
这意味着火星上水的熔点与沸点几乎相同，当温度超过0℃时，冰会直接升华为水蒸气而不是溶解为液态水。
那么火星早期为什么可以有液态水呢？因为火星早期大气比现在浓厚。
后来火星逐渐丧失了大多数的大气，变成现在这样空气稀薄、海洋蒸发的局面。
那么火星的空气是什么时候流失的、海洋是什么时候蒸发的呢？
在我的另外两个回答中，曾经详细讨论过火星大气流失的原因，以及相关的时间尺度：
火星空气稀薄的主要原因是质量太小吗?太阳系的大型岩质行星中是不是只有地球还有显著的地质活动？如果是，为什么？火星的大规模火山活动大概终结于10~20亿年前，也就是从那个时间起，一方面火星大气的来源中断（类地行星大气层主要靠火山活动补充），另一方面火星磁场也在此时消失，在太阳风作用下大气流失率大幅度增加。
因此我们相信火星的液态海洋很可能在10~20亿年前就消失了。
那么从火星形成开始，到海洋蒸发之间，留给火星孕育生命的时间只有25~35亿年的时间。
前面谈到生命诞生与温度之间的关系。我们知道地球生命大约诞生于地球形成之后的10亿年，那么平均温度比地球低78K的火星上产生生命需要多少年呢？
严谨的定量结果，估计没有人能回答出来，但我个人拍脑袋的猜想还是可以说说的，我赌火星上孕育生命的时间估计至少要100亿年（谁愿意跟我打赌？），而命运之神没有给火星这个机会。


当然，万一火星的海洋时代真的诞生了生命，相信在残留的地下水中还保存有生命种子的机会是很高的。


关于（2）的总结：

火星温度低于地球，孕育生命需要更长时间，但火星海洋却不能撑那么久，所以火星上独立孕育出生命的概率是不高的。如果真的在火星上发现生命，那么我们需要重新认真地思考一下下面这两个理论了：

A、生命的种子是通过陨石在宇宙中传播的。
B、生命的诞生比我们想象的更容易许多，并且地球上的生命诞生可能也比35亿年前更早得多。

qfwoshiyu

这不禁让人想到著名的费米悖论和大过滤器理论。
怎么发现的过程楼上几位专业人士都已经论述的很详尽了，我无意画蛇添足，只是想到了大过滤器理论，等了1天没人提这事儿，忍不住旧事重提一下：如果火星的地下湖泊都能找到微生物甚至小鱼小虾，那搞不好连木星和土星的卫星冰层下都有生命，那么如果生命在太阳系这种恒星系都能不止一处的自发产生，那阻止生命成为星际文明的”重大难关“在哪里呢？为什么德雷克公式算出来光光银河系就有大把大把的”宜居行星“而人类到现在没找到1个外星文明呢？
知乎有人引用过的牛津哲学家Nick Bostrom的高论：

“没有消息就是最好的消息。即使我们在火星上发现简单的生命也将是灾难性的信号，因为这将大大减低我们已经越过大过滤器的这种可能性，如果我们在火星发现复杂生命的化石，那将是人类历史上最糟糕的新闻，因为这说明大过滤器几乎肯定会发生在我们的未来——这将导致物种的毁灭。”Bostrom认为在费米悖论这个事情上，“夜空的沉默是金。”

可是正如 @haibaraemily 回答提到的那样，火星冰下液态水湖泊的水温仅仅是-60℃上下，而且有液态水，并且上方仅仅有1.5km的冰盖，这就是说这环境恐怕比地球上嗜冷生物（ Psychrophile - Wikipedia ）与极端微生物（Extremophile - Wikipedia）恶劣不了太多。
1.5km冰盖压力很大？11km水深下的马里亚纳海沟有Pyrococcus - Wikipedia ；
火星到处是高氯酸盐？液态水充满了钙盐镁盐？嗜盐古菌 Halobacteriaceae - Wikipedia 表示有点卤水算个啥；
高盐分就没细菌能活着了？
-60℃很冷？这倒真是超过嗜冷细菌最低-20℃ Synechococcus - Wikipedia 的居住条件了，但假设有那么一两个热泉……
木卫二冰下海洋的假想图——毕竟只能是想象啦，那么厚的冰层放地球上人类都未必钻的透
所以把地球上耐压+耐寒+耐高盐的微生物凑一块儿交换一下基因各取长处，可能真的和火星的地下湖泊差不太离（其实还是有40℃温差）
想到附近有个行星地底下还有一堆微生物自由自在的等”人“来还真是有点毛骨悚然呢。


好吧其实根据火星地质史（Geological history of Mars）红色星球频繁的火山活动早在35亿年就结束了，哪来那么多该死的”热泉“呢。
火星地质史简单粗暴的被切成了三段，剧烈的地质活动几十亿年前就完结撒花了
但是貌似按照科研熔岩流，冰川/冰缘活动以及液态水的微量释放仍在继续，所以……怎么评价呢？
真不好讲。
到底有没有就留给将来工程师们去验证了。
关于费米悖论知乎已有长篇大佬讨论，不让转的，互联网各处讨论的帖子也很多了，这里不想长篇大论展开。有兴趣移步：
如何用通俗的语言来解释「费米悖论」？其实像我这种看宇宙比较悲观的人来看，我一直觉得适合形成生命的摇篮起码几十光年才有1处（从目前系外行星列表讲这个数字更是大到上百），然后现在欧洲科学家跳出来说火星就有长微生物的条件……那搞不好火星、木卫二三四、土卫二的地下冰下也能有一堆微生物围着热泉吃火锅（误），当然以现在人类的钻探技术根本钻不透木卫三那种冰层【评论区说核电池自热都能下去】，或者讲能下去但上不来（那不还是不知道有没生命嘛），但假使我们这一代人到垂垂老矣的时候，新的航天和机械技术真从这些个巨行星的卫星们找到了生命，那恐怕是个稳定的G K M恒星系都能长细菌，那人类就要提防高等文明的见1个杀1个了——单细胞到有1种善于使用工具的生命造出土星V号可比一滩氨基酸生出细胞容易多了。
从航天和机械的角度讲，考虑到太阳能电池板的需要，即便2030年后各国能稳固实现登陆火星并建立火星基地，也会倾向于在火星赤道选址而不是极地，那么把大型钻井攻城器械运到这样的极地湖泊上空由人架井钻井取样分析，可能要比人类登陆火星还要晚上几十年功夫。要得出一个确切的”有没有“的结论，搞不好有生之年都听不到1个答案呢

pybbs

这项令人震惊的发现，还需要看后续跟进的研究能否确切的证实，这个湖是不是真的存在？


这个“湖”可能与我们印象中的湖相去甚远，一是水深可能只有几尺，二是可能仅为淤泥而没有游离的水，三就是可能以上两种情形都不成立、另有原因。


意大利国家天体物理研究所中，负责这项研究的科学家们的兴奋之情可以理解，作为一个普通人看到这个消息时我也很兴奋，对于一个生命起源的爱好者来说这无疑是个大新闻，怀着激动的心情阅读了相关文章和报道之后，说实话内心隐隐有些失望。


这是由奥罗塞教授与同事，根据欧空局火星快车号上的探地雷达2012～2015年的数据分析后得出的。但火星探测的局限性，也使他们不得不在计算过程中做出一些估算和假设，首先是冰层覆盖物中冰与灰尘混合的比例无法获得确切的数据，其次是1.5公里深处的温度也无法确定，毕竟火星是一颗内部早已开始冷却的星球，与地球的情况极大不同。


通过对各种电磁情况的计算，这块20公里范围异常区域的介电常数比较高，平均大于15。而类比于地球上南极与格陵兰冰盖的数据，大于15的介电常数表明冰盖下方存在液态水。由此，奥罗塞教授认为可以推断这块雷达反射明亮的异常区域，它的高介电常数值，是因为（部分）饱含水的物质和/或液态水层导致的。


那个括号内的“部分”是原文中加的，并且火星快车搭载的是低频雷达，分辨率不高， 所以面积小一些的地下水体发现不了，由此奥罗塞教授也认为不能得出火星其它地方没有地下水的结论。


这就是奥罗塞教授发表的题为《火星冰川下液态水的雷达证据》一文的结论。


不过，地球上肥沃土壤的介电常数就能达到15，含水率高的土壤可能达到更大的数值，而水的介电常数高达80。还有不少物质的介电常数也高于15，例如乙醇24、甲醇32、二氧化钡106，但其中大部分都是人工产出的化合物。也就是说，介电常数高，也可能会是其它原因导致的，尤其是在地质情况并不熟悉的火星上，液态水只是可能之一。


还有一点就是，NASA的火星轨道探测器MRO在2005年发射之后，虽然在南极层状沉积物区域做过大量探测，但从未在这个位置有过任何关于液态水的发现。下图中上面的A是奥罗塞教授根据欧空局火星快车探测数据的分析结果，B是NASA的MRO在同一位置的探测结果。
奥罗塞教授发现液态水的示意图（蓝色部分）。


他们给出的解释是，NASA的MRO搭载的是高频雷达，穿透能力不强，所以在这个深度探测效果不佳。不过，亚利桑那大学的杰克·霍尔特教授认为，如果存在液态水层，MRO应该是能够识别出来的，除非是饱含水的沉积物才不容易发现。


NASA负责MRO雷达小组的副组长、行星科学研究所的资深科学家Nathaniel Putzig说，即使他们最近将数千观测结果汇总在一起、建立三维视图，也没有看到与欧空局火星快车相同的结果。他们表示希望接下来使用欧空局的数据进行相同的成像过程，来阐明这一探测发现。NASA首席科学家吉姆·格林说这个发现非常有趣，需要进一步研究，应当采用其它证据来检验这个解释。


总之，我认为目前支持火星存在地下液态水的证据仍然不够充分，一些科学家们也迫切希望有更多的数据来证实。作者之一，意大利Roma Tre大学的佩蒂内利说她们现在非常确信，希望未来有其它数据来让她们更加确信。


但是，这基本不会妨碍自今日起，“火星上存在液态水湖泊，还不止一个”这样的信息广为流传。搜一下中外网络，各种震惊体的“火星上发现了湖泊”已经比比皆是。


大众对此的兴趣，多在于生命起源这样一个远古谜题，但以目前的技术水准想要在火星上依靠远程仪器，自动化的检测是否存在哪怕细菌这样最简单的生命体仍然困难重重，不过我们可以先在逻辑上分析一下。


1.        没有发现任何生命存在的迹象。


A．        产生生命可能确实是异常困难、概率极小的、随机性的偶然事件，地球生命在一定程度上来说可能的确是独一无二的，人类真的很孤独；


B．        生命形式可能差异极大、甚至完全不同，使用地球生命的检测方法难以探测出来；相似的物质和能量环境，形成的生命却截然不同，表明生命在本质上可能确实没有内在的规则体系，完全是顺应各自的环境随机、巧合的偶然而成；


2.        发现了单细胞生命体。


既然是使用地球科技探测出来的，那么将表明生命体的DNA、蛋白质、代谢产物等分子结构与地球生命的相似程度很高。


A．        两者的生命可能拥有一个共同的来源，是属于一个种系的；至于起源于何处、还是两者之间相互传播的则需要进一步探寻；


B．        两者的生命体系是完全相互隔离、各自独立产生的，那么将表明生命的产生有可能不完全是随机、偶然性的，而是具有一种或多种特定的起源与进化的基本自然规律，在合适的环境中就可能生根发芽、从无到有，如同物质与星球的产生这种宇宙的基本属性一样；截然不同的环境可能会适用不同的规律，欧罗巴、泰坦将成为下一个重要研究对象；至于这个尚且一无所知的有关生命的自然法则，可能会使我们对于生命的认知进入一个全新的领域；


不过，事实可能也没有那么悲观，例如，伦敦帝国理工学院的天体生物学家Zita Martins博士，就在默奇森陨石中发现了碱基。
默奇森陨石是被研究得最多的陨石之一，发现了大量有机物，但大多数都与地球上的手性相反。
也就是说，用于生命起源的原材料在宇宙中大概是不太缺乏的。


现在的火星寒冷而荒芜，但几十亿年后当太阳转变为红巨星时，火星可能会迎来一个温暖的周期，虽然这个时间段并不是很长、火星也太小、磁场也很微弱，但富含不少水冰的火星也说不准可能会进化出能够适应的、高级一些的生命来。有了能量，生命体就能促进物质循环，当初地球也不过是一个炙热的岩浆球。


届时，在孤独的守望着太阳系谢幕的过程中，火星生物遥望着地球，会不会思考那颗荒芜的星球上，在遥远的过去是否曾经诞生过生命呢？






既然火星上的湖泊难以确定，不妨了解一下地球南极冰盖下湖泊的探索情况。


大地：冰封千百万年的南极冰下湖泊，其生态系统如何进化残存至今？大地：欧罗巴星球（木卫二）解析，是否真的会有生命存在？

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科学家发现火星地下有好几千米深的水体。它能支持生命吗？
欧洲空间局的一个科学家团队于 2018 年 7 月 25 日宣布，他们发现火星南极冰盖下面有一个大型水体。该发现是一项为期 10 年的专题研究的成果，它可能改变发现火星生命的概率。
真的假的？ 科学界看法不一

直径大约为 20 千米的这个水体，被隔绝在火星南极冰盖下近 1.6 千米。其中水的盐度很高，以至于在该水体底部-67.7℃的条件下水依然能保持液态。一旦该水体的存在被最终证实，它就会是迄今为止在火星上发现的最重要的液态水体。有关火星液态水的其他证据，都来自于远古水体和短暂的季节性水流。发现火星上类似于地球南极冰下湖的现有稳定水体，燃起了火星爱好者的一种热望：我们的行星近邻——火星上说不定真的有生命呢！
美国宇航局资深科学家迈克凯表示，就算火星的这座地下湖盐度很高，那里却依然是寻找火星现有生命的最佳去处。还有科学家认为，液态水可能是火星生命的最重要成分。火星有足够能量来推动「化能营养生命」（即无需阳光而是依赖化能合成作用的生命），但之前的问题是未发现有水力系统来维持火星生命（如果真的存在的话）的持续运作。好了，火星地下湖的发现正好解决了这个问题。
但并非所有科学家都对这一发现这么看好。美国宇航局一艘先进的火星探测飞船并未探察到这座火星地下湖，这表明该湖可能是暂时性的，而生命需要永久性水源支持。美国亚利桑那大学教授霍尔特是使用雷达技术探测液态水领域的带头人。他认为，这次发现火星地下水体严格地说只是发现了疑似存在的火星水体，而不是确凿的发现。

火星地下水体（示意图）
有无生命？ 一些人不抱希望

近年来，行星科学家和天体生物学家一直在搜寻火星水的迹象，毕竟水是我们已知的生命所必需的条件之一。在寻找过程中，他们把目光转向了火星极地覆冰区域，这些区域包含的冰盖和二氧化碳可能会把液态水隔绝在地下。科学家之所以对这些地下水体非常感兴趣，正是因为它们让我们想起地球南极洲的冰下湖，而这些冰下湖中的微生物生命直到最近才被发现。
地球南极洲的冰原一度被看作是一片生物学荒漠，尤其是在巨大的冰体下更被认为不可能存在生命。但在这种认识持续了 30 年后，科学家终于意识到南极洲竟然是地球上最大的湿地，冰下湖竟然是生命的绿洲。
即便上述新发现被证实，一些科学家依然对火星地下湖适宜于生命不抱太大希望。他们的理由是，就算这座地下湖中有微生物，它们也生活在极为严苛的条件下，而在这样的条件下生命岌岌可危。

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