探索火星環境演化和生命信號一直是火星探測的重要科學目標。「天問一號」首次火星探測任務邁出了我國行星探測征程的第一步，未來我國還將實施「天問三號」火星採樣返回任務。火星生命探測研究中「探哪裡」、「探什麼」、「如何探」是當前天體生物學研究的重大課題和挑戰。「探哪裡」主要指火星生命探測和採樣返回任務的著陸區和採樣區的確定；「探什麼」主要是目標生命信號的遴選；「如何探」則涉及生命信號準確探測和解譯所需的分析技術和載荷設備等。這三者相輔相成，需要在火星任務規劃之初就進行科學布局並開展預先研究。
近日，我所地球與行星物理院重點實驗室地球與行星磁場及宜居性學科組的申建勛博士後與合作導師林巍研究員、潘永信研究員等，利用比較行星學的科學思路，對地球上可以類比火星不同演化階段環境特徵的類火星環境區域進行了梳理和總結，在系統綜述火星生命探測中常用的生命信號及其主要探測技術手段的基礎上，將地球上的代表性類火星環境分成四類，分別類比火星演化的四個地質歷史時期：諾亞紀早期至中期（4.1～3.8Ga）、諾亞紀晚期至西方紀早期（3.8～3.4Ga）、西方紀晚期至亞馬遜紀早期（3.4～(2.1-1.4)Ga）、亞馬遜紀中期至晚期（(2.1-1.4)Ga至今）（圖1）。
（1）諾亞紀早期至中期的火星主要以頻繁的隕石撞擊事件為主，火星表面有較穩定的液態水環境，形成礦物主要為矽酸鹽類；（2）諾亞紀晚期至西方紀早期火星表面的液態水逐漸減少，火山噴發活動普遍，礦物以硫酸鹽類為主；（3）西方紀晚期至亞馬遜紀早期的火星變得更加乾燥，火山活動依舊較多，以含鐵礦物為主；（4）亞馬遜紀中期至晚期的火星進入極度乾旱的時期，無穩定的火表液態水，火山活動逐漸減弱，仍以含鐵礦物為主。
研究這四大類地球類火星環境中的生命和非生命過程，將有助於我們更加深入地理解生命在類火星極端環境中的生存機制和保留下的各種信號，為火星生命探測提供新認知。
圖1 地球上典型的類火星環境分布圖（據火星地質年代學劃分）
基於地-火對比的研究思路，文章進一步提出了火星生命探測的研究框架（圖2），建議火星生命探測任務在工程可實現的前提下，根據火星地質環境信息遴選出若干宜居潛力較大的預選研究區，將這些地區與地球上對應的類火星環境進行比較研究，重點關注地球類火星環境中生命活動及其代謝產物，篩選出可用於火星生命探測的目標生命信號，進而確定火星就位探測的技術手段並開展載荷儀器研發，最終實施火星生命就位探測或採樣返回任務。該研究框架強調了地質環境背景可以對疑似生命信號的準確解譯提供重要約束，提出利用基於地球類火星環境中生命活動和生命信號的認知來指導火星生命探測，並加強生命信號探測技術和載荷的研究、設計和開發。
圖2 火星生命信號探測研究框架
研究成果近期發表於Earth and Planetary Physics（申建勛，陳妍，孫宇，劉立，潘永信，林巍*. Detection of biosignatures in Terrestrial analogs of Martian regions: Strategical and technical assessments[J].Earth and Planetary Physics, 2022, 6(5): 431–450. DOI:10.26464/epp2022042），並被選為當期封面文章。研究受國家自然科學基金委、中國科學院、中國科學院地質與地球物理研究所等共同資助。
美編：傅士旭
校對：萬鵬