人类和细菌间的军备竞赛:新型抗生素为何如此难寻?

抗微生物肽穿过细菌细胞膜的模拟场景抗微生物肽穿过细菌细胞膜的模拟场景
利奈唑胺的分子模型,灰、白、蓝、红和青色圆球分别是碳、氢、氮、氧和氟原子。利奈唑胺是一种治疗耐药性细菌感染的合成抗生素。  利奈唑胺的分子模型,灰、白、蓝、红和青色圆球分别是碳、氢、氮、氧和氟原子。利奈唑胺是一种治疗耐药性细菌感染的合成抗生素。
 

 人类正处在与抗生素耐药性抗争的最前沿。一位86岁的慢性2型糖尿病患者因可怕的脚伤前往医院救治。由于长期没有接受治疗,他的脚部感染已经非常严重。这种情况并不罕见,但让人意外的是,广谱抗生素美罗培南(meropenem)和万古霉素(vancomycin)对此都完全没有效果,而在传统上,万古霉素被认为是“最后一线抗生素”,用于治疗其他抗生素都无效的严重感染。

  医生们很清楚,一些不好的事情正在发生。然而,即使有了最坏情况的心理准备,试验的结果依然令他们感到惊讶。这名男子脚上感染的不是一种细菌,而是三种细菌:金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、鲍曼不动杆菌(Acinetobacter baumannii)和鲁氏不动杆菌( Acinetobacter lwoffii)。每一种细菌都具有对多种药物的耐药性。这家位于巴西的医院缺乏应对这一情况所需的资源。患者被转到更大的医院,但由于损伤过于严重,他不得不进行截肢。

  这是一个报道于2012年的真实故事,是众多相似故事的缩影。在美国华盛顿特区还有一位因心脏衰竭而死的57岁女士,罪魁祸首是耐青霉素的细菌。同样的事情还发生在内华达州的一家医院,一位女士在隔离室中不幸死亡,她所感染的细菌对医院中所有的抗生素都具有耐药性。

  据估计,仅在美国每年就有两百万人感染了具有耐药性的微生物,其中大约23000人死亡。在文明出现之前,人类就已经知道如何杀死细菌;但为什么有了现代科技之后,人类依然对一些致命病菌束手无策?

  抗生素的诞生

  抗生素疗法的最初应用是在1867年,来自于英国外科医生约瑟夫·李斯特(Joseph Lister)。李斯特注意到,他的许多患者在接受手术之后都不得不截肢,或者很快死去。许多人将此归结于“瘴气”(miasmas,有毒的“糟糕”空气)或氧气对开放伤口的影响。

  李斯特提出了另一种观点。他一直在追踪法国微生物学家路易·巴斯德(Louis Pasteur)的研究,后者的实验结果显示,食物的腐坏与氧气无关,而是因为一些微小的、肉眼看不到的生物。李斯特提出,这些生物同样也是造成他的病人出现可怕后果的罪魁祸首。巴斯德为避免出现这些结果提供了三个选项:将这些生物过滤掉;把它们用高温煮死;或者用化学物质杀死它们。前两种方法可以立即排除,第三种方法则引起了人们的兴趣。

  作为一位充满好奇心且学问深厚的科学家,李斯特当时已经听说了矿物杂酚油(从煤焦油或其他矿物油中蒸馏而成的液体)在防止铁道枕木腐烂上的应用。出于同样这些微生物需要对患者痛苦负责的直觉,他决定尝试用一种煤焦油的馏分——碳酸——来治疗患者的伤口。最初的结果令人震惊:此前普遍需要截肢的复合骨折患者,现在竟然可以在肢体完好无损的情况下康复。

  李斯特所发现的其实是世界上第一种医用消毒药水,而非抗生素。碳酸对人体具有毒性,因此只能谨慎地用于处理伤口。成果丰富的德国科学家保罗·埃尔利希(Paul Ehrlich)希望能做得更好。他对德国民间传说中神射手Freischütz的故事十分着迷,故事中百发百中的神射手与魔鬼达成交易,获得了6枚能避开所有障碍击中目标的神奇魔弹。那么,有没有可能制造出一种能杀死细菌,但不会伤害人类细胞的化学魔弹呢?

  埃尔利希的学术背景是组织学,尤其擅长对组织样本染色,以便在显微镜下观察。他发现,某些染料分子会使一些细胞着色,对其他细胞却没有效果,就像传说中会寻找目标的神奇魔弹一样。埃尔利希意识到,这些染料分子或许能帮助他实现选择性抗生素的梦想。

  1909年,埃尔利希的想法最终获得了成功,他和日本助手秦佐八郎发明了砷凡纳明(arsphenamine,又称作洒尔佛散、606)。这是一种有机砷染料,能够在不杀死病人的情况下杀死梅毒细菌。不过,砷凡纳明只对梅毒有效。德国法本公司(IG Farben,全称为Interessen-Gemeinschaft Farbenindustrie AG,即“染料工业利益集团”)拜耳(Bayer)实验室的研究人员开始思考能否用同样的方法开发出用途更广的抗生素。化学家Josef Klarer和Fritz Miestzsch合成了数千种染料,并由德国病理学家和细菌学家格哈德·多马克(Gerhard Domagk)在实验室中对感染病菌的小鼠进行了试验。在无数次失败之后,一种称为百浪多息(prontosil)的染料终于获得了成功,成为世界上第一种真正通用的抗生素。

  尽管拜耳实验室团队认为埃尔利希的理论是百浪多息药效显著的原因,但后来的研究显示,这与该化合物的染色能力并没有关系。

  到底是什么让抗生素拥有如此神奇的功能呢?

  相对而言,发明能在皮肤和组织表面上杀死微生物的新型消毒药水要简单得多。然而,消毒药水是非常可怕的杀菌剂:破坏细菌基本结构的化学物质往往也会破坏人体细胞中的相同结构。幸运的是,有些细菌结构并不会存在于人体细胞中,即使存在,它们也非常不同。这就是抗生素功能的关键:利用细菌与人类细胞相似而不相同的事实。

  从第一种抗生素被发现以来的将近一个世纪时间里,我们已经发现了一个可以利用的细菌特异性特征库。例如,抗生素磺胺(sulfanilamide)针对的是人类身上不存在的一部分细菌生命过程。叶酸和维生素B9一样,在所有生物体中都是DNA合成的必需物质。人类通过食用水果和蔬菜获得叶酸,但细菌必须通过与人体细胞完全不同的过程从头开始合成。与其他磺胺类药物一样,磺胺通过在细菌体内竞争酶反应位点,抑制叶酸的合成,从而阻止细菌的DNA合成过程,同时不会对人体新陈代谢产生影响。

  亚历山大·弗莱明(Alexander Fleming)在1928年偶然发现的青霉素(盘尼西林),以及其他β-内酰胺类抗生素(如美罗培南),针对的也是人类细胞不具有的部分细菌结构:细胞壁。细菌细胞就像是装得太满、用麻线包扎起来的烤肉,麻线就相当于细胞壁,一旦去掉,细菌细胞就会“爆炸”。

  细菌构建细胞壁的过程很像人们建造篱笆。先放置一些栅栏柱,然后用钉枪将水平支撑木条和木板钉上去。青霉素的作用就是堵住细菌的“钉枪”,使其细胞壁中的“栅栏柱”无法连接起来。另一方面,万古霉素等糖肽类抗生素则会像厚厚的防弹毯一样,包裹住细菌细胞壁的栅栏柱,细菌的“钉枪”依然能使用,但没有一颗钉子能钉上去。

  这些都是理想的情况。其他主要抗生素类别所针对的细菌生命部分与人类细胞中的机制更为相似,但依然存在足够的差异,使它们能成为作用目标。这些差异可以非常微小,但在作为选择性抗生素和消毒药水之间依然存在着一条细小的界线。

  举例来说,许多药物以蛋白质的合成过程为目标。抗生素能阻止紧密缠绕的DNA被解包和读取,阻塞RNA转录过程,或者关闭将RNA分子转录、翻译为蛋白质的分子工厂。在这些情况下,人体细胞中的等同过程由不同形状的酶完成,并且不具有抗生素进行工作时所需的相同“抓手”——如果一样的话问题就严重了,这些过程的中止对人类细胞来说同样致命。

  细菌的反击

  这是人类与细菌斗争故事中的进攻部分,但还有防御的部分:细菌具有反击的倾向。一种简单的防御方法是在抗生素造成伤害之前将其清除,就像用水泵不断从地下室抽水,防止被水淹没一样。细菌的外排泵会不断清除抗生素,阻止它们进行工作。一个外排泵可以通过识别和去除几种不同类型的抗生素来提供多重耐药性,从而成为难以对付的耐药机制。

  细菌还可以合成新的蛋白质,在抗生素发挥作用之前断开并解除其功能结构。这个策略最著名的例子或许是某些细菌产生的β-内酰胺酶,又称为盘尼西林酶(penicillinase)。这种新的酶唯一的功能便是打开具有弹性加载的β-内酰胺四元环核心,使其无法作用于细菌的细胞壁。这类蛋白质通常对一类抗生素具有高度特异性,不会对其他类型产生作用。我们用来对付这种耐药机制的方法之一,就是将原有的抗生素与针对新酶的新抗生素打包在一起。

  细菌拥有的另一种防御策略是制造能与抗生素结合的蛋白质酶,作为分子“约束衣”,阻止它们抓住目标并使其成为无助的旁观者。这些酶的工作机制是利用磷酰基、乙酰基、核苷酸基、糖基或羟基等化学基团与抗生素的关键部分结合,阻止它们与细菌的目标部位结合。通常而言,这些酶只对某一抗生素家族起作用,因此交叉耐药性并不是问题。

  对细菌来说,或许最明显和最有效的耐药方法是改变抗生素的目标,使抗生素无法识别出自己。这种耐药方法非常普遍,而且有许多实现的途径。例如,只需将细胞壁“栅栏柱”末端的氨基酸由D-丙氨酸变为D-乳酸,一个非常小的调整,就可以使万古霉素等氨基糖苷类抗生素完全失效。一旦目标改变,我们就无法再用原来的“魔弹”来摧毁它们。

  原理上,对付这类耐药细菌的方法很简单,就是找到新的“魔弹”。然而,许多抗生素来自微生物本身,生存压力会迫使微生物物种不断发展出击败竞争对手的武器。这些微生物制造抗生素的方式往往不是很灵活:它们非常擅长制造特异性的结构,但如果这一结构不再与目标相吻合,它们就很难调整过来。我们还在大自然中发现了许多显而易见的抗生素,但随着时间推移,这样的抗生素已经越来越难以找到。目前我们所使用的广谱抗生素中,除了头孢洛林一种之外,其他都是在10年前发现的,几乎一半发现于1950年到1960年的“黄金时代”。

  我们还有许多其他方法,其中一个备受关注的方法是寻找隐性抗生素(cryptic antibiotics),这就涉及到促使细菌生成它们通常不会生成的分子。这种方法能否奏效还有待时间的检验,目前我们的最佳选择是转向有机化学,该领域已经为我们提供了精确的工具,以其他学科难以想象的方式对分子进行调整。利奈唑胺(Linezolid)正是人类利用有机化学技术从无到有开发出来的一种抗生素,能阻止核糖体与mRNA连接,从而抑制细菌蛋白质合成。我们还能用有机化学对自然界中发现的抗生素进行调整。例如,美国Tetraphase制药公司正在尝试改造四环霉素(tetracyclines),使其适应多种耐药性细菌的目标位置。

  我们唯一不能做的一件事就是放弃,因为细菌永远不会放弃。制药业已经耗费了大量资金寻找新的抗生素,许多公司在一无所获之后宣布放弃。这很危险。我们需要明白,探索过程必将是缓慢而艰难的。尽管科学家在努力设计更好的有机化学工具,以更快地制造抗生素分子,但这一过程并不容易。抗生素耐药性是一场人类一开始就处于下风的军备竞赛。我们现在需要做的更多,否则等待我们的只有失败。我们所有人的生命都与此息息相关。

 

原文地址:http://nautil.us/issue/60/searches/why-new-antibiotics-are-so-hard-to-find?utm_source=ticker&utm_medium=article&utm_campaign=why-new-antibiotics-are-so-hard-to-find

从海盗号到好奇号:火星生命探索争论简史

    1976年7月的一天,午夜过后,在美国加州帕萨迪纳市一个闷热的房间里,海盗号火星勘测计划(Viking Mars)的团队成员围坐在一台庞大的电脑显示器旁边,紧张地等待着世界上第一台成功发射的火星勘测着陆器传来首批数据。这是有史以来第一台专门设计来探测生命的火星着陆器。接下来几个星期里,海盗号的首批生命探测实验传回了令人震惊的结果。这些数据清楚地显示,当有机化合物添加到火星土壤中时会释放出二氧化碳,而不是混合物被超高温加热的时候。这是生命存在的迹象,而且与发生在地球上的实验结果相同。当把水添加到火星土壤中时,还会释放出氧气,就像在地球上一样。这台远离地球的探测器,在头两个实验中就发现了生命可能存在的迹象。第三个实验是加热土壤,就像在烤箱里加热食物一样,实验结果有好有坏。

  随着第四个实验的矛盾数据传回,争议变得越来越大。宣称火星上存在生命将具有前所未有的意义。如果这些数据错了,相信没有一名团队成员能够接受。然而,世界上大多数人并不知道,在海盗号着陆器的4个实验中,有3个实验的结果可以被解读为阳性的微生物检测结果,与地球上被检测数千次的结果一样。研究者帕特里夏·斯特拉特(Patricia Straat)对另一位任务参与者吉尔·莱文(Gil Levin)说:“那就是生命!”

火星上是否存在微生物生命依然是一个谜火星上是否存在微生物生命依然是一个谜
 

  第四个实验采用了一台气相色谱仪——与詹姆斯·洛夫洛克(James Lovelock,英国独立科学家、环保主义者和未来学家)使用的是同类仪器——和一台质谱仪,用来精密测量分子的大小。结果发现,火星上不仅没有生命,而且完全没有发现有机物的存在。这是个令人震惊的结果,因为宇宙空间中到处都有有机物,从小行星、彗星、陨石到星际尘埃。不仅如此,该实验还指出,火星表面是有毒的,或者说能杀灭微生物。海盗号任务的科学家产生了激烈的争论,而美国航空航天局(NASA)最终决定以谨慎的方式进行解释。他们的结论是,由于火星土壤中含有的强氧化剂,使火星表面能“自我消毒”,并且使其呈现出红色。海盗号发现了一个荒凉而狂风大作的红色星球,上面布满了陨石坑,像月球一样寒冷和死寂。

  少数参与任务的科学家反对这一结论,他们认为第四个实验只是失败了而已,在地球上也经常出现这种情况。包括吉尔·莱文在内的一群活跃人士,不断写信和演讲,敦促NASA公布全部的海盗号数据。在2016年NASA庆祝该任务40周年的活动上,莱文重申了这一呼吁。他预测好奇号(Curiosity)火星车会找到更复杂的有机物,事实也确实如此。当看到好奇号探测到甲烷爆发时,莱文指出,甲烷的消失发生得太快了,不可能是紫外辐射引起,“这种消失可能是由甲烷氧化菌引起的,它们能利用甲烷,并形成一个完美的小型生态循环。”

火星地表遍布沙丘和砾石,没有稳定的液态水火星地表遍布沙丘和砾石,没有稳定的液态水
 

  其他火星探测器也给出了矛盾的结果。NASA在21世纪初开始了机遇号(Opportunity)和勇气号(Spirit)火星车任务,这两个探测器传回的报告令世界各地数以百万计的人感到兴奋。不过,两辆火星车都是由地质学家设计和建造,与生物学家无关。2008年,凤凰号(Phoenix)着陆器第一次传回了火星上有水存在的证据。该探测器的相机捕捉到了水滴在寒冷的钢制着陆脚架上凝结的清晰画面。模拟结果给出了两种可能,一是被风吹过来的高氯酸钙颗粒周围有水凝结,这种盐型矿物具有能从大气中撷取水分的特性;二是探测器登陆时搅动了火星表面下的脏冰,水冰在脚架上融化并形成水滴。参与该任务的密歇根大学科学家尼尔顿·伦诺(Nilton Renno)说,关键在于,“在地球上,有液态水存在的地方,就会有微生物生命”。地球上这样的盐水中也的确有微生物存在。

  略显矛盾的是,寻找火星生命证据最好的地方其实是地球。在冰冻的南极大陆上行走,你有时会发现一些小石头,而它们正是来自火星的陨石。事实上,每年有大约4.5千克的火星陨石落在地球上。如果有巨大的陨石撞击火星,火星的部分岩石碎块就会摆脱重力束缚,被抛向太空。作为这颗红色星球最近的邻居,地球的引力会捕获其中一些石块,而它们在荒凉并且覆盖冰雪的南极大陆最容易被发现。对这些陨石的化学分析显示,它们的冲击玻璃(冲击试验产生的熔体凝聚物)含有与火星大气层相同的气体组合——与许多火星探测器的结果一致,因此可以认定确实来自火星。

  1996年,NASA研究者戴夫·麦凯(Dave McKay)及其团队宣称,一颗在南极发现的陨石——艾伦丘陵陨石84001(缩写为ALH 84001)——上存在微生物的化石证据。这块陨石是1984年12月27日由美国南极陨石搜寻计划(Antarctic Search for Meteorites,ANSMET)小组在南极洲艾伦丘陵发现的。今天很多人觉得这不大可能,但很久以前,的确有大量的水曾流入火星的河流和海洋,这些液体的矿物质遗迹在火星表面上清晰可见——洪泛平原、冲积盆地,甚至还有很早之前就干涸的U字形河道。早在1877年,意大利天文学家乔凡尼·斯基亚帕雷利(Giovanni Schiaparelli)就通过早期望远镜观察到了火星上的巨大裂谷,并称其为“canali”,在意大利语中是“水道”的意思,不过这个词在翻译成英语时被错误翻译为“canals”,即人工开凿的运河。19世纪末到20世纪初时,美国亚利桑那州的帕西瓦尔·罗威尔(Percival Lowell)认为他观察到了火星上有随季节变化的河流和植被。实际上,这可能是许多探测器在火星峡谷中拍摄到的清晨薄雾。以罗威尔的说法为依据,“泰山”(Tarzan)系列作品的作者埃德加·赖斯·巴勒斯(Edgar Rice Burroughs)在20世纪20到30年代创作了一个怪异的科幻小说系列——《火星公主》(A Princess of Mars),点燃了几代美国青少年的冒险激情。罗威尔看到的是望远镜里的裂纹,而巴勒斯看到的,则是公众轻信火星故事所带来的巨大财富(他曾经为了一位好莱坞女演员而与妻子离婚)。

  后来的NASA探测器获得了令人感到挫败的结果。20世纪60年代的水手号探测器强烈地揭示出,火星稀薄而寒冷的大气层不允许纯液态水的存在,尽管最后一个轨道探测器清晰地拍摄到古代河床和海洋的遗迹。

  2010年,亚利桑那大学一位研究火星轨道探测器所拍摄图像的本科生发现,火星的山脊顶部会间歇性出现深色平行条纹,就像季节性流水一样。这位名为Lujendra Ojha的学生是在高分辨率成像科学设备(high-resolution imaging science experiment,缩写为HiRISE)拍摄的图像中注意到这一奇怪现象的。深色细流在几十个地点都有出现。真是令人兴奋!Ojha将HiRISE的观测结果与火星的矿物地图进行了比较。光谱仪在好几个地方都观测到了水合盐,但只有在深色条纹出现并变宽的情况下。利用轨道探测器的小型勘测成像光谱仪,Ojha和研究团队对这些条纹反射的光线进行分析,检测到其中有痕量的高氯酸钠或高氯酸镁。火星的液态水中含有天然的盐水防冻剂。

很久以前,的确有大量的水曾流入火星的河流和海洋,这些液体的矿物质遗迹在火星表面上清晰可见——洪泛平原、冲积盆地,甚至还有很早之前就干涸的U字形河道。  很久以前,的确有大量的水曾流入火星的河流和海洋,这些液体的矿物质遗迹在火星表面上清晰可见——洪泛平原、冲积盆地,甚至还有很早之前就干涸的U字形河道。
 

  想象一颗有着间歇性水流,气候干燥,同时又具有太阳系中最大型火山的行星,是不是很酷?行星上的大型湖泊含有与北冰洋相当的水量,奔腾的河流注入这些湖泊,大量的沉积物在河口形成了冲积三角洲。这就是早期的火星。再想象一颗充满了硫磺气味,被酸性海洋覆盖,同时大气层充满有毒和高温温室气体的行星,那里既没有氧气,也没有抵挡辐射的臭氧层;彗星不断轰击这颗行星,接着它又撞上另一颗与火星大小差不多的行星,大量的岩石物质被抛到太空,形成一个巨大的卫星——引力足以在行星表面掀起数百米高的潮水。欢迎来到早期的地球。

  出于这样或那样的原因,NASA研究者史蒂芬·班讷(Steven Benner)等人提出,生命起源于火星,并通过喷出物的形式被带到地球。在NASA休斯顿太空中心的图书馆里,班讷从40年前获得的海盗号资料中找到了线索。他的发现带来了“巨大的困惑”。通过对古代微生物DNA的研究,并重新获得它们的基因和蛋白质,班讷希望将地球生命的起源与太阳系中生命的存在联系起来。在一系列论文中,他指出火星具有“温暖的气温和干湿循环”,可以使组成RNA的基础成分以“我们的化学形式”凝聚起来。

  问题在于,以往许多关于火星生命或火星上存在水的说法都是错误的。但是,许多古老的微生物的确也会在地球上一些冰冷、碱性的类似环境中繁衍生息。因此,许多研究者争相前往硫磺洞穴、勘察加半岛上含钼和硼酸盐的温泉,以及黄石国家公园和南极的盐水湖。他们所发现的只有困惑。

  NASA的克里斯·麦凯(Chris McKay)和珀涅罗珀·波士顿(Penelope Boston)就是两位在地球极端环境中搜寻微生物代谢和起源证据的研究者。作为一位前新墨西哥矿业及科技学院教授和两位马戏团训练师的女儿,珀涅罗珀·波士顿一开始是在北极研究微生物,后来将搜寻方向转向了地下深洞穴。来自加利福尼亚州的埃里森·莫瑞(Alison Murray)以在南极洲搜寻极端微生物而闻名。在好奇号火星车之后,突然之间,似乎所有人都对冰层之下的湖泊或平原,或偏僻的洞穴或矿坑中存活的生命起了兴趣。珀涅罗珀·波士顿曾经估计火星上存在微生物生命的可能性约为30%,现在她认为,这一可能性正在不断提高。她指出,如果这些微小的生命形式可以存在于极端恶劣的湖泊、洞穴或矿坑环境中,那火星的亚表面就可能存在微生物生命。

  在美国新墨西哥州的国家洞穴和喀斯特研究所,珀涅罗珀·波士顿一开始担任“洞穴和喀斯特研究项目”的负责人。该项目是为了火星而提出的,她希望借此建立起火星地下环境,并将一系列讨论综合在一起,以说明生命在火星上是很有可能存在的,从而赢得来自NASA的质疑。她取得了很大的成功,以至于NASA在2016年任命她为天体生物学研究所(位于加州的莫菲特场)的主管,为她研究自己所热爱的科学领域提供了便利的条件。

  来自内华达州沙漠研究所的生物化学家埃里森·莫瑞和路易斯安那州立大学的地球物理学家彼得·多兰(Peter Doran)合作对南极洲冰层下的盐水湖进行了研究,以了解那里的微生物,并获取古代气候的信息。他们在南极维达湖(Lake Vida)钻取了冰芯,从中发现了非常多样的古菌和细菌。“它们没有多少活动——大部分时间都在休眠,”莫瑞说道,“但它们就在那里。”盐水层下方的温度有所上升,但冰芯管采集了更深处的冰。

  莫瑞等人的发现使研究者将目光投向了美国西部。加州大学伯克利分校的生物学家吉尔·班菲尔德(Jill Banfield)对科罗拉多河及加州铁山(Iron Mountain)一处废弃矿场里的水体进行了研究。仅在一处存放矿场废料的地点,她就发现了好几个新的细菌门类。关键在于,这些此前不为人知的奇特微生物需要依赖其他生物体的群落才能生存。这一结果帮助解释了为什么只有极少的细菌能在实验室中培养。在科罗拉多河附近一处较浅的含水层中,班菲尔德的团队采用了一种寻找生命的新技术,并发现了数十个新的细菌门类,从而改写了生命树。他们将789种生物划分到35个门,其中28个是新发现的,都属于细菌界。分类的依据是生物体的演化史和它们的16S rRNA基因的相似性;那些至少有75%的编码相同的生物被归为同一门。研究团队在每个季节和每个水层中都发现了差异巨大的共生物种。

  2016年秋季,班菲尔德的团队在科罗拉多河的一个含水层中发现了新的细菌群,使地球上已知细菌群的数量翻了一番。这一来自地下的发现再一次改写了生命树。班菲尔德还对婴儿肠道中的微生物群落进行了研究。她的工作,以及其他研究者对黄石公园、智利的阿塔卡马沙漠、科罗拉多州和加利福尼亚州的废弃矿场,甚至海豚口腔内的微生物研究,都汇总在《自然-微生物学》(Nature Microbiology)期刊发表的“生命树”中;过去15年中,科学家新发现了大约一千个此前未知的物种。班菲尔德的发现带来的另一个惊喜是,新细菌的多样性有将近一半来自一个以往认为只能共生的细菌群。

  紧接着,诺拉·诺夫克(Nora Noffke)又点燃了研究者寻找火星生命的热情。

  在弗吉尼亚州诺福克的炎热夏天里,老道明大学的诺拉·诺夫克对好奇号火星车拍摄的盖尔撞击坑图片展开了研究。她是“微生物诱导沉积结构”(microbially induced sedimentary structures,缩写为MISS)领域的权威,而这一术语正是她的创造,用来描述咸水浅滩中微生物席在岩石上留下的结构。许多人都很熟悉古代微生物遗留物质沉积而成叠层石,但很少有人了解潮汐性微生物席的重要性。在长达30年的职业生涯里,诺夫克走遍了5个大陆,研究并归类了超过12种典型的微生物席形状,有的卷起,有的起皱,还有的呈波状结构。形似土堆的叠层石在澳大利亚、夏威夷和加勒比地区的海边已经成为游客观赏的景观。诺夫克发现,在澳大利亚偏远的内陆地区也存在着微生物诱导沉积结构,而这些结构被视为地球最古老的生命证据之一。

  2014年夏天,NASA邀请诺夫克在一场会议上做了演讲,而该会议的主要目的是为2020年的火星车选择着陆地点。诺夫克发言称,如果早期地球和火星是相似的,那么或许火星上会保存一些微生物诱导的沉积物。与会者中就有加州理工学院的地球化学家肯·法利(Ken Farley),他的团队刚刚发表了一篇论文,描述了好奇号在火星的Sheepbed构造中发现的古老泥土结构——当时好奇号正在前往夏普山(Mount Sharp)22公里的路途中。会议之后,法利给诺夫克发送了图片,并询问了她的想法。在研究了这些拍摄于第126火星日(好奇号位于Sheepbed构造的那一天)的图片之后,诺夫克的心脏剧烈跳动起来。这些图片看着非常眼熟。她了解那种到处都能看到微生物结构的危险倾向,于是她想,“我先提交一篇假设性的文章,看看人们怎么说”。

  2015年1月,当诺夫克发表了一篇指出火星存在微生物生命迹象的论文时,好奇号团队的反应十分强烈。一位科学家称,诺夫克就好像是在看“天空中的云”。他们还建立了一个网站来反驳诺夫克的观点。

  2014年的甲烷爆发也可能只是来自好奇号的污染。不过,甲烷也是古菌等微生物所产生的标志性气体。到了2015年,火星勘测轨道飞行器(Mars Reconnaissance Orbiter)观测到盖尔撞击坑附近斜坡上存在着流动盐水,高氯酸盐的存在使其能在低于冰点的温度下保持液态。

  争议在不断升级。好奇号团队称,诺夫克的地质学认识存在错误。诺夫克回应称:“它现在是一个受侵蚀的山坡,但曾经是一个湖泊,有着完全不同的古环境。他们说那是一条辫状河,这是不准确的。这是一个由缓慢而曲折的河流系统塑造而成的山坡。在地球上,你在这样的地方就能找到微生物席!”

  唯一能解决这一争论的方法是把人送到火星上。最大的问题是携带足够的燃料,使他们能在火星表面起飞并返回地球。出于这一考虑,第一步很可能是先把人送到火星轨道上,正如行星学会(Planetary Society,目前的主席是比尔·奈)所提议的那样。再往前看,NASA正计划最早于2030年代将人类送上火星,欧洲和俄罗斯的火星探测计划“ExoMars”则计划在2020年登陆火星,将选择在一处湖床作为着陆地点。

  更多关于盖尔撞击坑盆地中有古代微生物活动的证据来自俄勒冈大学,地质学家格雷戈里·勒塔拉克(Greg Retallack)指出,该地区土壤中高含量的硫酸盐只能是厌氧细菌在缺氧环境下的产物。在发表于《地质学》(Geology)杂志的文章中,勒塔拉克写道,在好奇号拍摄的图片中看到的一些“水泡结构”,与地球微生物在雨后产生的水泡类似。对诺夫克而言,与大型科学项目打交道的经历和公众对外星生命的迷恋令她深感挫败。她的论文只是一种假说,而不是完整的论证或主张,但好奇号团队的反应让她感到吃惊。不过,好奇号团队接下来要做的,是确定一个新的行程,在相同的季节回到第一次观测到甲烷爆发的地点。这或许表明,最重要的一点是,这项研究已经有了越来越广泛的公众基础,有越来越多人开始关注。

  因此,当欧洲空间局的Schiaparelli探测器在2016年秋天到达火星轨道,准备降落在火星表面时,众多研究者和爱好者都激动不已。2016年10月19日,在轨道母单元的操纵下,Schiaparelli探测器开始向子午线高原(Meridiani Planum)区域降落。探测器的降落伞在12千米高空处弹出,挡热板在7.8千米处打开,一切都按照计划进行。接着,探测器内部出现了一个导航计算错误,1秒钟的误差导致第二个降落伞过早发射,并提早触发制动推进器,使导航认为探测器已经到达地表。最终,Schiaparelli探测器狠狠地撞在火星表面,而碰撞产生的碎片还可以在NASA的火星勘测轨道探测器拍摄的图片上看到。

  试验的结果令人苦涩,但这毕竟只是一次试验。欧洲空间局并没有因此停住脚步,他们将在2020年的第二次ExoMars任务中重返火星。

原文:http://nautil.us/issue/57/communities/life-on-mars-from-viking-to-curiosity