由於火星與地球既相近又相似，因此，火星上是否可能存在生命一直是天體生物學關注的一個主題。迄今為止，尚未在火星上發現曾經或現在的生命的證據。累積的證據表明，在古代諾亞紀時期，火星表面環境有液態水，並可能適合微生物居住，但宜居的條件並不一定代表就有生命[1][2]。
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對生命證據的科學探索始於19世紀，直到今天，通過望遠鏡調查和部署的探測器仍在繼續進行。早期的研究主要側重於現象學並近乎幻想，而現代的科學研究則強調尋找水、行星表面土壤和岩石中的化學生命印跡以及大氣層中的生物標記氣體[3]。
由於與早期地球相似，火星令人感興趣的是對生命起源的研究，尤其是它寒冷的氣候和缺乏板塊構造或大陸漂移，自赫斯珀里亞紀末期以來，幾乎就一直沒有變化，全球至少三分之二的地表年齡已超過35億年。因此，火星可能擁有最佳的生命起源前條件記錄，即使那裏沒有或從未存在過生命[4][5]，而生命可能早在44.8億年前就已開始演化[6]。
在確認過去存在過地表液態水之後，好奇號、毅力號和機遇號探測車開始尋找過去生命的證據，包括過去基於自養、化能或化能自養菌生物圈，以及涵蓋湖積平原在內的古代宜居性水環境（與古代河流或湖泊有關的平原）[7][8][9][10]。目前，美國宇航局和歐洲空間局的主要目標是尋找火星上宜居性、埋藏學（與化石有關）和有機化合物的證據。
火星沉積岩內有機化合物和硼的發現令人振奮，因為它們是生命起源前的化學前體。這些發現，連同先前有關火星古代明顯存在液態水的證據，進一步支持了火星蓋爾撞擊坑早期可能的宜居性 [11][12] 。目前，火星表面充斥着電離輻射，火星土壤富含對微生物有毒的高氯酸鹽 [13][14]。因此，人們一致認為，如果火星上存在生命，則最有可能發現或保存於地表下，遠離現今嚴酷的表面環境。
2018年6月，美國宇航局宣佈檢測到火星上甲烷濃度的季節性變化，甲烷可由微生物或地質方式產生[15]。歐洲火星微量氣體任務衛星自2018年4月開始繪製大氣層甲烷分佈圖，2022年火星太空生物探測車羅莎琳·富蘭克林號將鑽探和分析地下樣品，而美國宇航局火星2020探測車毅力號已成功着陸，它將儲存數十份鑽孔樣本，以便在21世紀20年代末或21世紀30年代將其運回至地球實驗室。截至2021年2月8日，已報告了在金星（通過磷化氫）和火星（通過甲烷）上可能發現的生命形式的最新研究狀況[16]。
早期推測
火星極冠被發現於17世紀中葉，18世紀末，威廉·赫歇爾證明了它們在各半球夏冬季的交替生長和收縮。到19世紀中期，天文學家知道火星與地球還有其它一些相似之處，例如火星上一天的長度幾乎與地球上相同，還知道它的自轉軸傾角與地球相似，這意味着所經歷的季節與地球一樣，但一年中的日期更長，幾乎是地球的兩倍。這些觀察結果引發了越來越多的猜測，即反照率特徵較暗的是水，而反照率較亮的特徵則是陸地，由此猜測火星上是否可能存在某種形式的生命[17]。
1854年，劍橋大學三一學院研究員威廉·惠威爾提出了火星上有海洋、陸地和可能的生命形式的理論[18]。19世紀後期，一些觀察者在用望遠鏡觀察到火星表面明顯的火星運河後，爆發了有關火星生命的猜測，後來發現這些運河只不過是錯覺。儘管如此，1895年，美國天文學家珀西瓦爾·洛厄爾出版了他的著作《火星》，隨後在1906年又推出了《火星及其運河》[19]，提出運河是一種遠古文明的產物[20]，這一想法促使英國作家赫伯特·喬治·威爾斯在1897年寫下了《星際大戰》一書，講述了逃離乾燥火星的外星人入侵地球的故事[21]。
火星大氣的光譜分析始於1894年，當時美國天文學家威廉·華萊士·坎貝爾證明火星大氣層中既沒有水也不存在氧氣[22]；1909年火星沖期間，著名觀察家安東尼亞第在默東天文台使用83厘米（32.6英寸）孔徑望遠鏡並未看到任何運河；1909年，日中峰天文台新巴約穹頂拍攝的火星出色照片給火星運河理論帶來正式衝擊[23]，運河的概念開始失去吸引力[22]。
宜居性
化學、物理、地質和地理等屬性塑造了火星上的環境，對這些因素的單獨測量可能不足以認定環境是否宜居，但測量的總和能有助於預測宜居潛力的大小及位置[24]。目前預測火星表面潛在宜居性的兩種生態方法涉及19或20項環境因素，重點強調可用水、溫度、存在的營養物質、能源以及對太陽紫外線和銀河宇宙輻射的防護[25][26]。
科學家們不清楚測定宜居潛力的最少參數量，但確信它們大於下表中的一或兩種因素[24]。同樣，對於各組中的每一參數，其宜居性閾值尚有待確定[24]。實驗室模擬表明，每當多種致命因素結合在一起時，存活率就會快速下降[27]。目前還未發佈過模擬火星上所有危害因素組合的完整清單[27]。此外，火星生命的生化和宜居性要求是否可能與地球生物圈大不相同，尚屬一項懸而未決的問題。
最近的模型顯示，即使有稠密的二氧化碳大氣層，早期的火星也比以往任何時期的地球都更冷[28][29][30][31]。撞擊或火山作用等產生的短暫溫暖期可能會有利於晚諾亞紀河谷水道的形成，即使中晚期諾亞紀全球環境可能是冰冷的。火山活動和撞擊造成的局部環境變暖可能是零星的，但火星表面應該有許多水流動的事件[31]。礦物學和形態學證據都表明，從赫斯珀里亞紀中期開始，宜居性就開始退化，確切的原因尚不清楚，但可能與多種作用過程有關，包括早期的大氣層逃逸和撞擊侵蝕，抑或兩者兼而有之[31]。
火星磁場的消失通過大氣散失和輻射增加強烈影響了地表環境，這種變化明顯降低了地表宜居性[33]。當存在磁場時，大氣層將受到保護，可免受太陽風的侵蝕，這將確保維持一層稠密的大氣層，這是火星表面液態水存在的必要條件[34]。大氣層的消失伴隨着溫度的下降，部分液態水升華並被輸送到兩極，其餘部分則被困在永久凍土中，成為一層地下冰層[31]。
對地球的觀測和數值模擬表明，當地殼中存在冰時，形成隕石坑的撞擊會導致產生持久的熱液系統。例如，一座直徑130公里的大型隕石坑可維持活躍的熱液系統長達200萬年，也就是說，有足夠長的時間讓微生命產生[31]，但不太可能在進化之路上有進一步的發展[35]。
2013年，美國宇航局好奇號探測車上的車載儀器對土壤和岩石樣本進行了研究，提供了數種有關宜居性因素的更多信息[36]。火星車團隊識別出土壤中一些關鍵的生命化學成分，包括硫、氮、氫、氧、磷，可能還有碳及粘土礦物，表明很久以前的水環境可能是一座湖泊或古河床，具有中性酸度和低鹽度[36]。2013年12月9日，美國宇航局報告說，根據好奇號研究埃奧利斯沼的證據，蓋爾撞擊坑中的一座古淡水湖，可能是微生物生命的適宜環境[37][38]。在火星上發現的流動液態水、營養物質以及過去的磁場[39][40]共同表明火星可能擁有過支持生命的環境因素[41][42]。但對過去宜居性的評估並不能證明火星上確實存在過生命，即便有，它們也可能只是微生物，共同存在於流體或沉積物中，分別以獨立或生物薄膜的形式存在[33]，對地球類似物的探索提供了如何以及在何處更好尋找火星生命跡象的線索[43]。
地球上顯示保存了生命跡象的撞擊石，在火星上也已發現，如果該行星上曾存在過生命，則它們有可能包含有古代生命的跡象[44]。
2018年6月7日，美國宇航局宣佈好奇號探測車在距今30億年的沉積岩中發現了有機分子[45][46]。對岩石中有機分子的檢測表明，存在一些生命的構成要素[47][48]。
可想像的是，如果火星上存在（或存在過）生命，那麼，生命證據可能會在遠離當今惡劣地表條件的地下找到或完整保存[49]。現今火星上的生命，或它的生命印跡，可能出現在地表以下數公里處，或者地下地熱點中，也可能發生在地表以下數米深的地方。火星上的永久凍土層僅在地表下數厘米處，咸滷水可在地表下幾厘米並不深的地方呈現液體狀態。但即使在希臘盆地最低處，水也接近沸點，因此，除非地下水突然釋放，否則無法在目前的火星表面長期保持液態[50][51][52]。
到目前為止，美國宇航局一直在火星上實施「跟隨水走」的策略，自海盜號任務以來，還沒有直接在火星上尋找到生命的生物印跡。天體生物學家的共識是，可能有必要深入火星地表下尋找目前可能宜居的環境[49]。
1965年，水手4號探測器發現，火星缺乏全球磁場來保護行星免受可能危及生命的宇宙輻射和太陽輻射；火星全球探勘者號在20世紀90年代末的觀測證實了這一發現[53]。科學家們推測，在數十億年的時間裏，由於缺乏磁屏蔽，太陽風吹走了火星大部分的大氣層 [54]。因此，大約40億年來，這顆行星一直易受到來自太空的輻射[55]。
來自好奇號火星車的最新現場數據表明，銀河宇宙射線（GCR）和太陽粒子事件（SPE）的電離輻射可能並非目前火星表面生命宜居性的限制因素，好奇號測量到的每年76毫戈瑞的水平與國際太空站內部的輻射水平相當[56]。
「好奇號」探測車測量到的電離輻射水平為每年76毫戈瑞[57]，這種水平的輻射正在對火星表面的休眠生命進行消毒。火星宜居住性因其軌道偏心率和轉軸傾角的變化而差異極大。據估計，如果地表生命在45萬年前就已復活，那麼火星探測車則可在地表下1米深處發現休眠但仍存活的生命[58]。但由於火星失去了保護性磁層和大氣層，即使是已知最堅韌的細胞也無法在火星表面附近的宇宙輻射中存活下來[59][60]。在繪製了火星不同深度的宇宙輻射水平圖後，研究人員得出結論，隨着時間的推移，火星表面最初數米深處的所有生命都將被致命劑量的宇宙輻射殺死[59][61][62]。研究小組計算出，宇宙輻射對去氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)的累積損傷將限制在火星地表下超過7.5米深處復甦的休眠活細胞[61]。即使是最耐輻射的地球細菌，在地表也只能以休眠孢子狀態存活1.8萬年；在火星太空生物漫遊車能夠抵達的最大深度—地下2米處，生存時間將為9萬到50萬年，具體決於岩石的類型[63]。
「好奇號」探測車上的輻射評估探測器收集的數據顯示，表面測量的吸收劑量為76毫戈瑞/年[64]，並且「電離輻射嚴重影響了化學成分和結構，尤其是水、鹽和氧化還原敏感的成分，如有機分子等」[64]。無論火星有機化合物的來源為何（流星、地質或生物），其碳鍵都很容易被離子化的帶電粒子輻射破壞並與周圍元素重構[64]。這些改進的地下輻射估值使我們深入了解到，保存可能的有機生命印跡的潛力，是一種深度以及地下休眠的可能微生物或細菌生命形式存活時間的函數[64]。報告得出結論，原位「表面測量和地下估算限定了火星表面下數米深處的有機物，在挖掘和暴露於電離輻射下的保存時間」[64]。
2017年9月，美國宇航局報告，由於本月中旬發生了一次意外的重大太陽風暴，火星表面的輻射水平臨時增加了一倍並伴隨出現了一次亮度極高的極光，較之前觀察到的所有極光高出25倍[65]。
關於紫外線的輻射，2014年的一份報告得出結論[66]「火星紫外線輻射環境對未屏蔽的微生物具有快速致命性，但可被全球沙塵暴減弱，並能被小於1毫米的表岩屑或其他有機物完全屏蔽」。此外，2017年7月公佈的實驗室研究表明，與暴露於紫外線輻射下60秒的細胞相比，紫外線照射過的高氯酸鹽導致的細胞死亡增加了10.8倍[67][68]。紫外線輻射對土壤的穿透深度在亞毫米至毫米範圍內，取決於土壤的特性[68]。
已知火星表岩屑中最多含有0.5%（質量/體積）的高氯酸鹽(ClO4−)，這對大多數生物體都是有毒的[69]，但由於它們能大幅降低水的冰點，少數嗜極微生物可將其用作能源（見高氯酸鹽-生物學），並在高氯酸鈉濃度高達30%的情況下正常生長[70]，因此，引發了人們對其宜居性影響的猜測[67][70][71][72][73]。
2017年7月發表的研究表明，當用模擬火星紫外線的通量照射時，高氯酸鹽對細菌（殺菌劑）的殺傷力更大，甚至休眠的孢子也會在數分鐘內失去活力[67]。此外，火星表面的另兩種化合物，氧化鐵和過氧化氫，與輻照過的高氯酸鹽共同作用，與暴露於紫外線輻射下60秒的情況相比，所導致的細胞死亡增加了10.8倍[67][68]。還發現磨損的矽酸鹽（石英和玄武岩）也會導致形成有毒的活性氧類物[74]。研究人員得出結論，「火星表面對植物細胞致命，使得火星表面和近表面大部分區域都不適宜居住」[75]。這項研究表明，現在的地表比以前認為的更不適合居住[67][76]，並強化了至少要檢查地表下數米深處，以確保輻射水平相對較低的概念[76][77]。
然而，研究人員肯達·林奇（Kennda Lynch）在模擬環境中發現了首個已知含高氯酸鹽和高氯酸鹽還原菌的棲息地：猶他州大鹽湖沙漠飛行員谷(Pilot Valley)中的一座古湖泊[78]。她一直在研究這些微生物的生物印記，並希望毅力號火星車能在耶澤羅撞擊坑着陸點找到相符的生命印跡[79][80]。
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重現性坡線(RSL)是一年中在當地溫度達到熔冰點以上時，出現在朝陽坡上的特徵。這些條紋在春季生長，夏末變寬，秋天消失。儘管條紋本身被認為是一種次生作用，並非表土潮濕的直接跡象，但該現象很難以任何其他方式模擬，除非涉及某種形式的液態水。現在這些特徵已被證實與某種形式的液態水有關，但對於生命來說，水可能太冷或太咸。目前，它們被視為具有潛在宜居性，作為「不確定區域，當作特殊區域對待」[81][82]。當時，它們被懷疑與流動的滷水有關[83][84][85][86]。
水的熱力學效用（水活性）嚴格限制了地球上微生物的繁殖，特別是在高鹽環境中。有跡象表明，滷水離子強度是火星宜居性的障礙。實驗表明，火星上普遍存在二價離子，使離子強度高達極限，「儘管存在生物可用的水，但這些環境仍無法居住」」[87]。
除碳外，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，以解決其出現和分佈問題。大氣層中的氮（如N2）含量較低，還不足以支持生物結合的固氮作用[88]。而以硝酸鹽形式存在的氮則可作為人類探索的一種資源，既可作為植物生長的養分，也可用於化學加工。在地球上，硝酸鹽與沙漠環境中的高氯酸鹽有關，在火星上也可能如此。預計硝酸鹽在火星上較為穩定，並且是由古代火星上撞擊產生的熱衝擊或火山噴發柱閃電所形成[89]。
2015年3月24日，美國宇航局報告說，好奇號探測車上的火星樣本分析設備通過加熱地表沉積物檢測到了硝酸鹽。硝酸鹽中的氮處於「固定」狀態，這意味着它處於一種可供生物使用的氧化態，這一發現支持了古代火星可能適宜生命生存的觀點[89][90][91]。人們懷疑火星上的所有硝酸鹽都是遺物，沒有現代形成[92]。截止2017年末，已檢測樣本中的硝酸鹽豐度範圍從零至681±304毫克/千克不等[92]。模擬結果表明，火星表面瞬態凝結的水膜可能將硝酸鹽輸送到較低的深度(≈10米），地下微生物可以在那裏旺盛生長[93]。
火星表面宜居性評估面臨的更複雜事實是，對接近火星表面氣壓下的微生物生長情況知之甚少。一些研究小組測定，部分細菌具有在低至25毫巴氣壓下進行細胞複製的能力，但這仍高於火星上的大氣壓（範圍為1-14毫巴）[95]。在另一項研究中，根據從選擇搭載在航天器設施中的26種細菌菌株回收情況看，只有液化沙雷氏菌菌株ATCC 27592顯示可在7毫巴、0攝氏度和富含二氧化碳的缺氧環境中生長.[95]。
液態水
正如人類所知，液態水是生命存在的必要條件，但非充分條件，因為宜居性是多種環境參數的函數[96]。液態水不可能存在於火星表面，除非在最低海拔處存在數分鐘或數小時[97][98]。雖然液態水本身不會出現在火星表面[99]，但在雪中塵埃顆粒的周圍通過太陽加熱可形成微量液態水[100][101]。此外，地下古代赤道冰原可能會慢慢升華或融化，通過洞穴可抵達地表面[102][103][104][105]。
火星上的水幾乎完全以水冰的形式存在，位於火星極地冰蓋和火星淺表面之下，甚至在更溫和的緯度[109][110]。大氣層中也存在少量的水氣[111]，但火星表面沒有液態水體，因為火星表面平均大氣壓為600帕斯卡（0.087磅/平方英寸）—大約只是地球海平面平均氣壓的0.6%，並且溫度太低（210 K，攝氏零下63度），會導致液態水瞬間凍結。儘管如此，但在大約38億年前[112]，火星大氣層更稠密，溫度也更高，地表上流淌着包括大型海洋[113][114][115][116][117]在內的大量液態水[118][119][120][121]。
冰川液態水所在地
(2018年7月25日)
據估計，火星上的原始海洋可能曾覆蓋了該行星36%[122]到75%的區域[123]。2016年11月22日，美國宇航局報告在火星烏托邦平原地區發現了大量地下冰，檢測到的水量據估計相當於一座蘇必利爾湖[106][107][108]。利用軌道光譜法所獲數據對火星砂岩的分析表明，以前存在於火星表面的水，由於鹽份太高，無法支持大多數類地生命。托斯卡等人發現，他們所研究地點的火星水都具有水活性，aw≤0.78到0.86—這對大多數陸地生物來說是致命的水平[124]，但嗜鹽古菌能夠生活在高鹽溶液中，直至達到飽和點[125]。
2000年6月，以洪水般沖溝的形式[126][127]發現了當前液態水在火星表面流動的可能證據。2006年還發佈了其他由火星全球探勘者號拍攝的類似圖像，表明火星表面偶爾會有水流動。這些圖像顯示了陡峭坑壁和沉積物的變化，提供了迄今為止最有力的證據，證明水在數年前曾流過了它們。 對於最近的沖溝條紋是否由液態水形成，科學界存在分歧。一些人認為這些流體只是干沙流[128][129][130]，而其他人則認為可能是近地表附近的液態滷水[131][132][133]，但水的確切來源及背後的運動機制尚不清楚[134]。
2018年7月，科學家報告稱在火星上發現了一座冰下湖，位於南極冰蓋下方1.5公里（0.93英里），橫向延伸約20公里（12英里），這是該行星上所知的首個穩定水體[135][136][137][138]。該湖是得用火星快車號軌道器上的瑪西斯雷達發現的，其剖面圖於2012年5月至2015年12月期間測繪[139]。該湖的中心坐標位於東經193度、南緯81度，這是一處平坦的區域，沒有任何特殊的地形特徵，除東側有一片窪地，其餘周邊被高地包圍.[135]。
2007年5月，勇氣號漫遊車被卡住的車輪刮開了一處地面，發現了一塊富含90%二氧化矽的區域[140]，這一特徵使人聯想到溫泉水或蒸汽與火山岩接觸的效果。科學家認為這是過去可能有利於微生物生存環境的證據，並推測二氧化矽的一種可能來源為水存在時火山活動產生出的酸性蒸汽與土壤相互作用的結果[141]。
基於地球上的類似物，火星上的熱液系統因其保存有機和無機生命印跡的潛力而極具吸引力[142][143][144]。因此，熱液礦床被視為探索古代火星生命化石證據的重要目標[145][146]，這些發現將可能有助於決定在火星上尋找早期生命跡象的最佳地點[145][146]。
甲烷（CH4）在火星當前氧化性大氣中的化學性質並不穩定，由於太陽紫外線的輻射以及與其他氣體的化學反應，它會迅速分解。因此，大氣中持續存在的甲烷則意味着可能存在有不斷補充的氣源。
2003年，美國宇航局戈達德太空飛行中心的一個小組首次報告了火星大氣中含量為十億分率（ppb）的痕量甲烷[147][148]。在2003年和2006年進行的觀測中，測量到豐度差異巨大，表明甲烷可能是季節性局部集聚[149]。2018年6月7日，美國宇航局宣佈，它已檢測到火星上甲烷含量的季節性變化[15][150][47][48][151][152][153][46]。
2016年3月發射的火星微量氣體任務衛星（TGO）於2018年4月21日啟動，用於測繪火星大氣中甲烷的濃度和來源[154][155]及其分解產物如甲醛和甲醇。截至2019年5月，微量氣體任務衛星顯示甲烷濃度低於可檢測水平（<0.05 ppbv）[156][157]。
火星甲烷起源的主要候選因素包括非生物作用，如水-岩反應、水的輻解和黃鐵礦的形成，所有這些作用都會產生氫氣，然後與一氧化碳和二氧化碳通過費托合成生成甲烷和其他碳氫化合物[158]。研究還表明，甲烷可通過水、二氧化碳和火星上很常見的橄欖石礦物的相關作用產生[159]。儘管甲烷的地質來源如蛇紋石化是可能的，但當前火山作用、熱液活動或熱點[160]的缺乏並不利於地質甲烷的形成。
活微生物，如產甲烷菌，是另一種可能的來源，但直到2019年6月好奇號探測車檢測到甲烷[161]，在火星上仍未發現存在此類微生物的證據[162][163][164]。產甲烷菌並不需要氧氣或有機營養物，也不進行光合作用，只利用氫氣為能源，二氧化碳（CO2）為碳源，因此它們可以存在於火星地下環境中[165]。如果火星上的微觀生命正在產生甲烷，它們則可能位於地表下很深的地方，那裏的溫度仍足以讓液態水存在[166]。
自2003年在大氣層中發現甲烷以來，一些科學家就一直在設計模型和進行試管實驗，以測試模擬火星土壤中產甲烷細菌的生長情況。在模擬土壤中，即使含有1%重量比的高氯酸鹽[167]，所有四種測試的產甲烷菌株都產生出了大量的甲烷。
萊文領導的一支研究團隊提出，甲烷的產生和降解現象都可用產生和消耗甲烷的微生物生態學來解釋[168][169]。
2015年6月，阿肯色大學發表的研究表明，一些產甲烷菌可在火星的低氣壓環境下生存。麗貝卡·米克爾發現，在她的實驗室里四種產甲烷菌在類似火星地下含水層的低壓條件下存活了下來。她測試的四種菌種分別是沃氏甲嗜熱桿菌、巴氏甲烷八疊球菌、甲酸甲烷桿菌和海沼甲烷球菌[165]。2012年6月，科學家們報告稱，測量火星上氫和甲烷含量的比率可能有助於確定火星上存在生命的可能性[162][163]。根據科學家們的說法，「低氫氣/甲烷比率（約低於40）」將「表明可能存在且活躍的生命」[162]。在火星較低大氣層中觀察到的這一比率「大約高出10倍」，這表明生物作用可能與所觀察到甲烷的無關[162]。科學家建議測量火星表面的氫氣和甲烷流量以進行更準確的評估。其他科學家最近報導了在地外大氣層中檢測氫和甲烷的方法[170][171]。
即便探測車任務確定了火星上微小生命是甲烷的季節性來源，這些生命形式也可能位於火星地表下很遠的地方，在探測車可觸及的範圍之外[172]。
2005年2月，歐空局宣佈火星快車號軌道器上的行星傅里葉光譜儀（PFS）在火星大氣層中檢測到微量甲醛。傅里葉光譜儀主管維托里奧·福米薩諾（Vittorio Formisano）推測，甲醛可能是甲烷氧化的副產品，根據他的說法，這一證據表明火星的地質活動極為活躍，或者存在微生物群落[173][174]。美國宇航局的科學家們認為初步的發現值得後續研究，但也拒絕了生命的說法[175][176]。
20世紀70年代的海盜計劃在火星表面降落了兩台相同的着陸器，任務是搜尋火星表面微生物的生命印跡。在每台着陸器上進行的四項實驗中，只有「顯蹤釋出」（Labeled Release）實驗給出了新陳代謝的積極效果，而其他三項都沒檢測到有機化合物。顯蹤釋出是一項特定的實驗，旨在測試有關火星生命可能性理論中一項狹義的關鍵因素，因此，總體實驗結果被宣佈為尚無定論[22]。尚未有火星着陸器任務發現過有意義的生物分子痕跡或生命印跡，火星上存有微生物生命的說法是基於海盜號着陸者收集的舊數據。海盜號顯蹤釋出實驗所檢測到的現存微生物生命，目前主要被吉爾伯特·萊文[177][178]、約瑟夫·米勒[179]、納瓦羅[180]、喬治·比安恰爾迪和帕特里夏·安·斯特拉特[181]等人重新解釋為生命的充分證據。
2010年12月，拉斐爾·納瓦羅·岡薩雷斯（Rafael Navarro Gonzáles）[182][183][184][185]發表的評估結果表明，海盜1號和2號分析的土壤中「可能存在」有機化合物。該研究確定，鳳凰號着陸器[186][187]在2008年發現的高氯酸鹽在加熱時會破壞有機化合物，並產生副產品：氯甲烷和二氯甲烷，這與二台海盜號着陸器在火星上進行相同測試時所發現的氯化物完全相同。由於高氯酸鹽可分解火星上的任何有機物，所以，海盜號是否發現有機化合物的問題仍然懸而未決[188][189]。
「顯蹤釋出」證據起初並未被普遍接受，時至今日科學界對此仍缺乏共識[190]。
截至2018年，共發現了224塊已知來自火星的隕石（其中一些是在幾塊碎片中發現的）[191] 。這些隕石很有價值，因為它們是地球實驗室唯一可用的火星實物樣本。一些研究人員認為，在艾倫丘陵隕石84001中發現的微型形態特徵是生物形態，但這種解釋一直倍受爭議，該領域的大多數研究人員並不認同這一說法[192]。
在地球地質樣本中，已建立了七項鑑別過去生命的標準，這些標準是[192]：
- 樣本的地質背景是否與過去的生命相符？
- 樣本的年齡及其地層位置是否與可能的生命相符？
- 樣品是否包含細胞形態和菌落的證據？
- 有無任何顯示化學或礦物不平衡的生物礦物證據？
- 有無任何表明生物獨有的穩定同位素模式證據？
- 有無任何有機生物標誌物？
- 這些特徵是樣本特有的嗎？
要使地質樣本中的遠古生命得到普遍接受，基本上必須全部或大部分滿足這些標準中，但目前所有的火星樣本都未滿足以上所有七項標準要求[192]。
1996年，火星隕石艾倫丘84001，一塊比迄今為止發現的大多數火星隕石都要古老得多的樣本，受到了極大的關注。由大衛·斯圖爾特·麥凱（David S.McKay）領導的一組美國宇航局科學家報告了它的顯微特徵和地球化學異常性，認為對這些特徵和異常最好的解釋為：這是一塊在遙遠的過去曾寄住過火星細菌的岩石，其中一些特徵與地球細菌相似，只是比任何已知的生命形式都小得多。這一說法引發了許多爭議，最後發現，麥凱團隊所引用的所有生命證據都可用非生物作用來解釋。儘管科學界基本上拒絕了艾倫丘隕石含有古代火星生命證據的說法，但與之相關的爭議現在已被視為外星生物學發展中具有歷史意義的時刻[193][194]。
1911年6月28日，奈克拉隕石墜落於埃及亞歷山大納哈拉（Nakhla）地區[195][196]。
1998年，美國宇航局約翰遜太空中心的一個小組獲得了一小塊樣本進行分析。研究人員發現了陸地形成前水蝕變相以及大小和形狀與地球上納米細菌化石一致的物體[197]。2000年，氣相色譜和質譜分析（GC-MS）研究了它的高分子量多環芳烴，美國宇航局的科學家得出結論，奈克拉隕石中高達75%的有機化合物「可能不是最近的陸地污染」[192][198]。
這引起了人們對這塊隕石更大的興趣，因此在2006年，美國宇航局設法從倫敦自然史博物館獲得了更多更大的樣本。在第二塊樣本上，觀察到大量樹枝狀碳含量。當2006年發表這些結果和證據時，一些獨立的研究人員聲稱這些碳沉積物為生物來源。有人指出，由於碳在宇宙中屬含量第四高的元素，因此，這種模式奇特的碳並不表明或暗示它為生物性起源[199][200]。
休格地隕石是一塊4公斤（8.8磅）重的火星隕石，1865年8月25日墜落在印度斯赫爾加蒂，幾乎立即被目擊者拾取[201]。它主要由輝石構成，被認為經歷了陸地形成前數世紀的水蝕變，其內部的某些特徵表明存在生物膜及相關微生物群落的殘餘物[192]。
大和000593隕石是地球上發現的第二大火星隕石，研究表明，該隕石大約是12億年前由火星上的熔岩流所形成。大約1200萬年前，火星上發生的一次撞擊將它從表面噴射到太空中，約在5萬年前墜落在地球南極洲。該隕石質量為13.7千克（30磅），並發現含有過去水流動的證據[202][203][204]。在微觀層面，隕石中發現了富含碳的球體，而周邊區域並未有此類球體。據美國宇航局科學家稱，這些富含碳的球體可能是由生物活動所形成[202][203][204]。
生物體-基質相互作用及其產物是地球上重要的生命印跡，因為它們代表了生物行為的直接證據[205]。正是對生命-基質相互作用的化石產物（遺蹟化石）的發掘才揭示了地球早期生命史中的生物活動，如元古代洞穴、太古代微生物孔和疊層石等[206][207][208][209] [210][211]。據報道，火星上有兩種主要的類遺蹟化石結構，即維拉·魯賓嶺的棒狀結構和火星隕石中的微隧道。
火星太空實驗室好奇號漫遊車在維拉·魯賓嶺的觀測顯示，在蓋爾撞擊坑內湖積環境沉積的沉積岩中保存着毫米級的細長結構。這些棒狀結構的形態測量和拓撲數據在火星地質特徵中顯得獨一無二，並表明遺蹟化石是這些獨特特徵中最接近的形態類似物[212]。然而，現有數據還無法完全排除兩種主要的非生物假設，即沉積開裂和蒸發晶體生長對這些結構產生的成因作用。
微隧道早在火星隕石中就已被描述過，它們由筆直到彎曲的微隧道所組成，其中可能包含碳豐度增高的區域。彎曲微隧道的形態與地球上的生物痕跡相一致，包括在玄武岩玻璃中觀察到的微生物侵蝕痕跡[213][214][211]，這需要進一步的研究來確認是否為生物性成因。
間歇泉
南極冰蓋的季節性結霜和除霜導致陽光照射在1米厚的冰面上形成蜘蛛狀的輻射通道，而後，升華的二氧化碳，可能還有水增加了它們內部的壓力，產生出間歇泉般的冷流體噴發，這些冷流體通常與黑色的玄武岩沙或泥漿混合在一起[215][216][217][218]。這一過程非常迅速，從太空觀察到它發生在數天、數周或數月內，其增長速度在地質學上相當罕見，尤其是在火星上[219]。
一組匈牙利科學家提出，間歇泉最明顯的特徵，即黑色沙丘斑和蜘蛛狀通道，可能是在冰蓋下越冬的火星光合微生物群落。隨着早春的陽光返回極地，光線穿透冰面，微生物進行光合作用並加熱周邊環境。通常一小袋的液態水在火星稀薄大氣中會立即蒸發，而現在則被周圍覆蓋的冰層所困住。隨着冰層的變薄，微生物呈現為灰色。當冰層完全融化後，微生物迅速乾枯並變黑，周圍則環繞着一圈灰色光暈[220][221][222]。匈牙利科學家認為，即使是複雜的升華作用也不足以解釋黑色沙丘斑在時空上的形成和演化[223][224]。自從它們被發現以來，科幻小說作家亞瑟·查理斯·克拉克認為這些構造值得從天體生物學的角度加以研究[225]。
一支歐洲跨國團隊提出，如果在每年除霜期中，蜘蛛狀通道中都存在液態水，它們就可能會提供一種生態位，在那裏，某些微觀生命形式可在躲避太陽輻射的同時得以消隱和適應[226]。一隊英國研究小組還考慮了有機物質、微生物，甚至可能與這些無機構造共生的簡單植物的可能性，特別是如果該機制包含液態水和地熱源的話[219]。他們還指出，大多數地質構造都可在不援引任何有機「火星生命」假設的前提下得到解釋[219]。有人提議開發火星間歇泉跳躍者着陸器來近距離研究間歇泉[227]。
正向污染
火星的行星保護旨在防止火星受到生物污染[228]，主要目的是通過防止人為引入微生物（也稱為正向污染）來保護行星的自然進程記錄。地球上有大量證據表明，長時間相互隔離地區的生物被引入彼此環境時，會發生何種狀況。限制於某一環境中的物種可在另一環境中蓬勃繁衍—通常是失控，這會對現存原始物種造成極大損害。在某些方面，如果一顆星球上的生命形式被引入另一完全陌生世界的生態系統，這一問題可能會變得更為複雜[229]。
儘管已作了最大的努力，但航天器上一些未被完全清除的耐寒地球菌（嗜極生物）仍是對火星構成硬件污染的首要原因[26][230]。硬件包括着陸器、墜毀的探測器、任務結束時丟棄的設備以及硬着陸的進入、下降和登陸系統。這促使了在模擬火星條件下對包括抗輻射奇異球菌、短波單胞菌屬、紅球菌屬和假單胞菌屬在內的耐輻射微生物存活率的研究[231]。這些實驗性輻射測試之一的結果結合先前的輻射模擬，表明位於火星塵埃中僅30厘米深的106株短波單胞菌屬 MV.7，可在宇宙輻射中存活10萬年[231]。類似火星晝夜變化的溫度和相對濕度會嚴重影響抗輻射奇異球菌細胞的生存力[232]。在其他模擬中，抗輻射奇異球菌也無法在低氣壓、零攝氏度或缺氧環境下生長[233]。
模擬環境生存
自20世紀50年代以來，研究人員就已使用模擬火星環境條件的容器來測定火星上各種生命形式的生存能力。這種被稱為「火星罐」或「火星模擬室」的裝置，當時由美國德裔科學家胡貝圖斯‧斯圖格霍德(HubertusStrughold)在美國空軍研究中首次描述和使用，喬舒亞·萊德伯格和卡爾·薩根則在民用研究中進行了推廣普及[234]。
2012年4月26日，科學家報告說，在德國航空航天中心維護的火星模擬實驗室（MSL）中，在模擬火星條件下的34天時間內，一種嗜極微生物地衣存活了下來，並在光合作用適應力方面表現非凡[235][236][237][238][239] [240]。不過，在某一環境中的生存能力與在同一環境中繁盛、繁殖和進化的能力不同，需要進一步研究[27][26]。
雖然很多研究都指出了火星的某些限制性環境，但它們是分開進行的，沒有一項研究涵蓋火星表面所有的條件，包括溫度、氣壓、大氣成分、輻射、濕度、氧化性土壤等，所有這些因素都是同時和綜合的[241]。實驗室模擬表明，只要將多種致命因素結合起來，存活率就會迅速下降[27]。
由美國宇航局資助的天體生物學家正在研究低溫下高鹽度溶液中微生物生命的極限[242]。極地冰蓋下或地下的任何液態水體都可能具有高靜壓和高鹽度性，他們知道鳳凰號着陸器降落區為水冰和鹽膠結的表土，土壤樣本可能含有硫酸鎂、高氯酸鎂、過氯酸鈉、過氯酸鉀、氯化鈉和碳酸鈣[242][243][244]。因而，使用火星上的常見鹽類和低溫環境，對地球上一些能在高鹽度溶液中生長和繁殖，被稱為嗜鹽生物或「嗜鹽菌」的細菌進行了存活率測試[242]。測試的種類包括嗜鹽單胞菌屬、海球菌屬、涅斯捷連科氏菌屬和枝芽孢桿菌屬[242]，實驗室模擬表明，當多種火星環境因素結合在一起時，存活率會迅速下降[27]。不過，在實驗室中，嗜鹽細菌是生長在含超過25%火星常見鹽類的水溶液中。從2019年開始，實驗將包括暴露在低溫、鹽和高壓等環境下[242]。
太空任務
火星1號是1962年發射到火星的第一艘太空飛船[245]，但在前往途中失去聯繫。1971年至1972年，通過火星2號和火星3號，獲得了火星有關地表岩石性質、土壤表面密度海拔剖面圖、導熱係數等信息並探測到火星表面的熱異常。該項目發現火星北極冠層的溫度低於−110攝氏度(華氏-166度）且大氣層中的水蒸氣含量低於地球五千倍，沒有發現任何生命的跡象[246]。
水手4號探測器實現了人類對火星的首次成功飛越，並於1965年返回了第一張火星表面照片，揭示了一顆沒有河流、海洋或任何生命跡象的乾涸星球。此外，它還顯示地表（至少它所拍攝的部分）上佈滿隕石坑，表明近40億年來缺乏任何形式的板塊構造和風化作用。探測器還發現，火星沒有全球磁場來保護行星免受可能危及生命的宇宙射線影響。該探測器計算出火星上的大氣壓約為0.6 千帕（地球的氣壓為101.3千帕），這意味着火星表面不可能存在液態水[22]。水手4號之後，對火星生命的探索變成了對類似細菌的活有機體，而非多細胞生物體的搜尋，因為對它們來說環境顯然太過惡劣[22][247][248]。
液態水是已知生命和新陳代謝所必需的，因此，如果火星上存在水，那麼它對生命存在的可能將起到決定性的支持作用。海盜號軌道飛行器在許多地區都發現了可能為河谷、侵蝕以及南半球分支河道的證據[249][250][251]。
20世紀70年代中期，海盜號探測器的主要任務是進行旨在檢測火星土壤中微生物的實驗，因為多細胞生物進化的有利條件約在40億年前就在火星上停止了[252]。這些實驗的目的是尋找類似地球上發現的微生物生命。在這四項實驗中，只有「顯蹤釋出」實驗給出了肯定的結果，顯示土壤首次接觸水和養分時，14CO2釋出增加。所有科學家都同意海盜號任務的兩點：放射性碳14同位素標記的二氧化碳(14CO2）是在顯蹤釋出實驗中衍生出來的；氣相色譜-質譜分析沒有檢測到有機分子。而這些結果的含義有着截然不同的解釋：2011年的一本天體生物學教科書指出，氣相色譜-質譜分析是決定性因素，因此「對於大多數海盜號科學家來說，最終結論是海盜號任務並未探測到火星土壤中的生命」[253]。
諾曼·霍洛維茨（Norman Horowitz），1965年至1976年「水手號」和「海盜號」任務期間噴氣推進實驗室生命科學部負責人。他認為，碳原子的多功能性使它最有可能成為一種為其他行星上的生命生存問題提供解決方案，甚至是奇特方案的元素[254]。然而，他也認為在火星上發現的條件與碳基生命並不相容。
顯蹤釋出實驗的設計者之一吉爾伯特·萊文（Gilbert Levin），認為他的結果是對火星生命的明確診斷[22]，萊文的解釋受到許多科學家的質疑[255]。2006年的一本天體生物學教科書指出「不過，對於未經滅菌的地球樣本，在初始孵化後添加更多的營養素，則會產生出更多的放射性氣體，因為休眠細菌會突然活躍起來，消耗新劑量的食物。但火星土壤的情況並非如此，在火星上，第二次和第三次營養素注入沒有產生任何顯蹤氣體的進一步釋放」[256]。其他科學家認為，土壤中的超氧化物可能會在無生命存在的情況下產生出這種效應[257]。幾乎普遍的共識是，放棄將顯蹤釋出數據作為生命的證據，因為用於識別天然有機物的氣相色譜-質譜儀並未檢測到有機分子[177]。最近，好奇號探測車分析了從一塊名為「坎伯蘭」的岩石中鑽取的粉末，檢測到了高濃度的有機化合物，特別是氯苯[258][259]。專業界一般的看法是，海盜號關於生命任務的結果是不確定的[22][257][260]。
2007年，在卡內基科學研究所（美國華盛頓特區）地球物理實驗室的一次研討會上，吉爾伯特·萊文的調查再次被評估[177]。萊文仍堅持他的原始數據是正確的，因為陽性和陰性對照實驗一切正常[181]。此外，2012年4月12日，萊文的團隊報告了一項基於舊數據的統計推測，通過顯蹤釋放實驗的聚類分析，從數學上重新解釋可能表明「火星上現存微生物生命」證據的舊數據[181][261]。批評者反駁說，該方法尚未被證明能有效區分地球上的生物和非生物作用，因此得出任何結論都為時尚早[262]。
墨西哥國立自治大學拉斐爾·納瓦羅·岡薩雷斯主導的一支研究小組得出結論，海盜計劃用於尋找有機分子的氣相色譜法-質譜聯用設備（TV-GC-MS）可能靈敏度不足，無法檢測到低水平的有機物[185]。對此，海盜號氣相色譜-質譜分析實驗的首席研究員克勞斯·比曼（Klaus Biemann）曾撰文反駁[263]。由於樣本處理的簡單性，氣相色譜-質譜分析仍被認為是未來火星任務中檢測有機物的標準方法，因而，納瓦羅·岡薩雷斯建議，未來火星有機物檢測設備的設計應包括其他的探測方法[185]。
當鳳凰號着陸器在火星上發現高氯酸鹽後，幾乎為相同成員的岡薩雷斯團隊發表了一篇論文，認為海盜號氣相色譜-質譜實驗結果因高氯酸鹽的存在而受損[264]。2011年的一本天體生物學教科書指出，「雖然對重現顯蹤釋出結果而言，高氯酸鹽的氧化性很低（在該實驗條件下，高氯酸鹽不會氧化有機物），但確實會氧化並破壞氣相色譜-質譜測試中處於較高溫度下的有機物」[265]。比曼也寫了一篇批評納瓦羅·岡薩雷斯論文的評論[266]，後者對此作出了回復[267]，雙方的交流意見於2011年12月發表。
2008年5月25日，鳳凰號自動探測器降落在火星極地地區，並一直運行至2008年11月10日。該任務的兩大主要目標之一是在火星表岩屑中尋找可能存在微生物生命的「宜居帶」，其次是研究火星上水的地質史。着陸器有一條2.5米長的機械臂，可在表土中挖掘淺溝。一項電化學實驗分析了表土中的離子及火星上抗氧化物的數量和類型。海盜計劃的數據表明，火星上的氧化物分佈可能隨緯度的改變而變化，並指出位置比海盜1號更靠北的海盜2號發現的氧化物更少，而鳳凰號降落在更遠的北方[268]。鳳凰號的初步數據顯示，火星土壤中含有高氯酸鹽，因此，可能不像之前認為的那樣對生命友好[269][270][187]。從生物學角度，pH值和鹽濃度被認為尚處良性，分析儀還表明存在結合態水和二氧化碳[271]。最近對火星隕石「大象冰磧」（EETA79001）的分析發現，它含有0.6ppm（百萬分比）的高氯酸鹽(ClO4−)、1.4 ppm的氯酸鹽(ClO3−)和16ppm的硝酸鹽(NO3−) ，最有可能起源於火星。氯酸鹽表明還存在其他的高氧化性氧氯化物，如由氯的紫外線氧化和高氯酸鹽X射線輻解產生的亞氯酸鹽(ClO2−)或一氧化氯(ClO)。因此，只有高耐熔和/或良好保護的（地下）有機物才有可能存活[272]。此外，最近對鳳凰號濕化學實驗室的分析表明，鳳凰號土壤中的高氯酸鈣可能長達6億年沒有與任何形式的液態水發生過作用，如果有，高溶解性的高氯酸鈣將只生成硫酸鈣，這表明這裏是一處極度乾旱的環境，與液態水的相互作用極少或根本沒有[273]。
火星科學實驗室任務為美國航天局於2011年11月26日發射的火星探索項目，好奇號探測車是一輛核動力機械人車輛，攜帶有評估火星過去和現在宜居性條件的儀器[274][275]。2012年8月6日[276][277][278]，好奇號探測車在火星蓋爾撞擊坑埃奧利斯山（又稱夏普山）附近的埃奧利斯沼成功着陸[279][280][281][282]。
2014年12月16日，美國宇航局報告說，好奇號探測車檢測到火星大氣中可能為局部性的「十倍峰值」含量甲烷。「20個月內進行了十幾次」樣本測量的結果顯示，2013年末和2014年初甲烷含量有所增加，平均「大氣中甲烷含量為十億分之七」，而在此前後，平均讀數僅約為該水平的十分之一[258][259]。此外，在好奇號火星車分析的一塊名為「坎伯蘭」的岩石上所鑽取的粉末中，檢測到低濃度的氯苯（CH5Cl）[258][259]。火星2020毅力號火星車是美國宇航局於2020年7月30日發射的火星漫遊者任務，其目的是調查火星上與天體生物學相關的古代環境、表面地質作用和歷史，包括評估其過去的宜居性以及在可獲得地質材料中保存有生命印跡的可能性[283]。
- 火星太空生物探測是一項歐洲主導，由歐洲空間局和俄羅斯航天國家集團共同開發的多航天器計劃，預定於2016年和2020年發射[285]。其主要科學任務將是尋找火星上過去和現在可能存在的生命印跡。一輛配有2米（6.6英尺）長岩芯鑽杆的探測車將用於在不同深度的地表下取樣，在那裏可能會發現液態水和倖存於宇宙輻射下的微生物或有機生命印跡[41]。
- 火星樣本取回任務—最佳的生命探測實驗將是在地球上檢測火星土壤樣本，但提供和維持從火星到地球數月的生命支持困難仍有待解決。提供仍屬未知環境和營養的需求令人望而生畏，因此得出的結論是「與基於培養的方法相比，從取回樣本中搜尋潛在生命跡象是研究碳基有機化合物最效的方法之一」[286]。
定居
定居火星的一些主要原因包括經濟利益、最好由人類而自動探測器進行長期科學研究以及純粹的好奇心。火星的表面條件和水的存在使它成為太陽系中除地球外最宜居的行星。人類對火星的移民需要就地利用資源。美國宇航局的一份報告指出「適用的前沿技術包括機械人技術、智能設備、納米技術、合成生物學、三維打印/疊層製造及自主性等。這些技術與豐富的自然資源相結合，將能夠大大提高人類在到達火星前後，在就地資源利用方面的可靠性和安全性，並降低人類在火星定居的成本」[287][288][289]。
火星交互地圖
另請查看
參考文獻
外部連結
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