用拉曼效应寻觅生命的化学指纹
著: Lee Siegel (美国宇航局天体生命研究所)译:Alex


    大概是在2008年,火星上的一个探测车的将把它的机械臂对向一块岩石。在臂端的一个探测器会扫描这块岩石, 不断地用极细的绿或紫外激光束轰击它的表面。

    当激光射到岩石,即会被随机地散射到四面八方。大多数光线会保持原有的颜色,而很少的一部分则将变为其他颜色,这就是拉曼效应。这点细微的变化就可以告诉我们岩石上是否有生命的迹象,无论是微生物还是火星古生命残留下来的有机遗骸。通过它,我们也能了解到火星是否曾经拥有适宜生命存活的条件。

    在更远的将来,一个星际“潜艇”将潜入木卫欧罗巴的汪洋,并用拉曼探测器分析海水中的矿物质,以寻找在海底热喷泉中可能存活的生命。

    随着设备的小型化,科学家们正在研制可以发射到火星或欧罗巴上的拉曼分光仪。他们希望携带着拉曼设备的飞船能在2007进军火星。

一、拉曼分光仪--极具前景的仪器

    绿-激光火星微光束拉曼分光仪(Mars Microbeam Raman Spectrometer )(http://epsc.wustl.edu/haskin-group/Raman/instrument.htm)的模型已经由Larry Haskin领导的一个小组研制完成。Larry Haskin是圣路易斯的华盛顿大学地球和行星科学教授。它的小组有来自阿拉巴马大学、康乃尔大学和喷气推进实验室的研究者们。而它是由华盛顿大学的 Alian Wang首先构思并设计制造了缩微模型的。

    美国宇航局的天体生物学研究所的Michael Storrie-Lombardi是另一个小组的主要负责人,他们将制造对有机物高度敏感的紫外激光拉曼探测器。

    科学家们相信,与过去和现今探测生命本身模糊证据的方法相比,用拉曼探测器,从矿物成分来推断适宜生命存活的条件的方法可能更加可行。

    “你应当明白,任何仪器都不能明确的告诉你生命是否存在,”Haskin小组的物理学家Tom Wdowiak说。但拉曼分光仪“是挑选火星样品的最好仪器,它能告诉我们在那个世界中生命到底有没有存在过--或者那里的环境是否适宜生命存活。” 

    “如果那儿真有生命或其遗骸,我们的(拉曼)仪器也碰上了它,当然我们也就能看到它了,”Haskin说道,“然而我们撞上它(生命)的几率实在很小。”

二、检测蛋白质和植物色素

    1930年,加尔格达大学的物理学家昌德拉塞卡·温卡塔·拉曼,因发现拉曼效应而获诺贝尔物理学奖。当一束一定波长的激光照射到某种材料上,大部分光以原波长散射。而一小部分,千分之一到兆分之一的光改变了波长。波长的改变值由材料的构成精确决定。每一种分子都有特定的标识。

    因而,用拉曼分光仪测定了波长的改变量,就可以辨识矿物,探查微量的有机物并鉴别出生命物质,如蛋白质、DNA、氨基酸和植物色素等。在医学中,这种方法经常被用来检测微生物和分析基因,Storrie-Lombardi说。

    行星拉曼分光计会将探测器指向样本,或将光缆插入土壤之中,然后在探测器扫描的同时反复地发射激光束。一个特殊的滤镜会把未变色的散射光滤去。发生改变的光就会透过滤镜,穿过光栅,依照其波长发生折射。

    一架数字相机将接受到这些光,而后计算机对数字信号进行处理,转化为“光谱”形式的图像。由图像上特定的“峰”,我们就可以把有机物和矿物辨识出来。

三、期待2007

    Wdowiak说,拉曼分光计不仅能够发现生命和有机物,还能找到有机体的化石。它甚至可以鉴别出在有水环境--生命存在的必要条件--时形成的矿石和显现出有机生命体耗能的矿石。

    Haskin和Wdowiak透露,由于美国宇航局的2003年火星发射计划发展为一对探测车,拉曼分光计就从这次中取消了。

    “现在拉曼分光计去火星最大的希望是在2007年了,”Wdowiak谈到,“因为2005年的是一个轨道卫星。”

    Haskin组最新的绿-激光拉曼分光仪是一个L-形的设备,有伸开的手掌般大小。Storrie-Lombardi组最小的紫外激光拉曼分光仪“有一个手提箱那么大。”他说。“我们的目标是再把它缩小十倍”或更小。

    Storrie-Lombardi说,绿-激光拉曼分光仪将被优先考虑。但是,他也非常希望发射他的紫外仪,因为它在探测生命信号时有较高的灵敏度。

    而且,Storrie-Lombardi的紫外仪已经可识别DNA和3种氨基酸了。更重要的是,它不仅能够检测到生命的迹象,还能够拍摄到可见光和“黑光”照片--在紫外线的作用下,蛋白质可以发出荧光。Storrie-Lombardi说,这就和探长用黑光灯来检测血流的道理是一样的。

四、火星上的美元

    在实验室之中,Storrie-Lombardi的模型已经能测到细菌、蛋白质和其他多种有机物质。

    “我们第一次扫描的是咖啡渣。百分之百的有机!”他开玩笑道。“我们将能够测道火星上是否有美元。

    Haskin 提到它的拉曼设备在明尼苏达州扫描了一块11亿年前形成的的火山玄武岩,“突然地、我们得到了一个漂亮的有机光谱,结果是一块蜡,”那时有这岩石上的微小的地衣分泌出来的。Wdowiak 则在一块20亿年前形成的岩石上找到了细菌化石。

    Storrie-Lombardi的紫外光还在南极的岩石上发现了藻类和真菌。据英国皇家南极勘测局的D. Wynn-Williams 博士,蓝藻可以在苛酷的南极生存并产出叶绿素和其他可用拉曼意见测出的植物色素。甚至在有35亿年历史的蓝菌化石中,还检测到了这些色素。

    Wynn-Williams建议太空飞船可以用加载着拉曼探测器的光纤深入火星土壤,探寻这种色素,这就很可能提供火星远古生命存在的证据。

五、矿物线索

    Wdowiak认为,火星表面环境被强烈氧化,这可能使一切“生物证据”毁于一旦。因而他希望火星上的拉曼探测器能够测到“仅在有水和温暖环境下才能形成的矿物。”找到这种矿物,也就表明火星上曾经有适宜生命生存的环境。

    他又说,欧罗巴的拉曼探测器首先应能够在冰表面上辨识矿石和有机物,并还需能破冰而入。

    亚利桑那大学的Darcy Gentleman 和其同事们建议说,应当用一可潜水的拉曼探测仪来潜入欧罗巴和地球的深海。因为在深海很可能存在许多热喷泉,而地球生命也许就是在海底热穴附近诞生的。
据Storrie-Lombarditorrie-Lombardi称,这样的航天任务恐怕在21世纪20年代之前不可能实现。

六、另外呢?

    除了火星和欧罗巴,他认为木星的卡利斯托卫星也值得一探。而且,拉曼探测仪不仅可以用来他测其他的世界,还能检测飞船以保证它们没有将微生物带到别的行星上去。它们也能用于防止地球被搭乘在飞船上的地外微生物所污染。

 

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