2020年，美国国家航空航天局(NASA)计划发射一艘新的火星漫游者，其任务是探索火星上的一个区域，科学家认为该区域可能存在古代微生物的残余。漫游者将收集岩石和土壤的样本，并将它们储存在火星表面;这些样本将在遥远的将来被送回地球，这样科学家就可以仔细分析这些样本，寻找现在或以前地外生命的迹象。
现在，根据杂志报道碳,麻省理工学院科学家制定了一种技术，这些技术将有助于漫游者快速，无侵入性地识别相对不变的沉积物，并保持其原始组合的大部分。这种“原始”样本使科学家们认为，如果存在，那么识别前一生的迹象的机会，而不是岩石，而不是其历史通过地质过程如过量的加热或辐射损伤所清洁的岩石。
火星上的光谱学
该团队的技术集中在一种解释拉曼光谱结果的新方法上，这是一种常见的、非破坏性的过程，地质学家使用它来识别古代岩石的化学成分。在其科学工具套件中，2020年火星探测器包括SHERLOC(用拉曼光谱和有机化学发光扫描可居住环境)，这是一种可以从火星表面或下面的样品中获取拉曼光谱的仪器。SHERLOC将是确定火星上是否存在生命的关键。
拉曼光谱测量给定材料的分子内原子的微小振动。例如，石墨由碳原子的非常有序排列组成。这些碳原子之间的键自然振动，以频率在科学家们在石墨表面上聚焦激光束时可以测量。
由于原子和分子根据它们的结合物以不同的频率振动，拉曼光谱使科学家能够识别样品化学成分的关键方面。更重要的是，这项技术可以确定一个样本是否含有碳质物质——这是该样本可能也含有生命迹象的第一个线索。
但是，麻省理工学院的地球教授，地球教授，大气和行星科学的罗杰传票说，科学家到目前为止能够使用拉曼光谱辨别的化学图片已经有所模糊。例如，从地球上的煤中获取的拉曼光谱可能看起来与最初在太空中最初制造的陨石中的有机颗粒的范围非常相似。
“我们没有一种确定的方法来区分有机物是生物的起源，还是来自其他化学过程的有机物，”传票说。
然而，麻省理工学院材料科学与工程系的研究科学家尼古拉·费拉利斯发现了拉曼光谱中隐藏的特征，可以为样品的化学组成提供更清晰的图像。具体来说，研究人员能够从拉曼光谱峰的亚结构中估计出氢与碳原子的比例。这一点很重要，因为任何岩石经历的温度越高，有机质的变化就越大，特别是通过甲烷形式的氢的损失。
改进的技术使科学家能够更准确地解释现有拉曼光谱的含义，并迅速评估氢与碳的比率 - 从而识别最原始的岩石岩石样本，以供进一步研究。传票说，这也可以帮助科学家和工程师在2020火星流动站上与Sherloc乐器一起使用理想的火星样本。
“这可能有助于决定2020台流浪者将档案的样本，”召唤说。“它将正在寻找沉积物中保存的有机物，这将允许更明智地选择样本，以便潜在返回地球。”
看到隐藏的山峰
拉曼光谱表示分子或原子在激光作用下的振动。含有有机物的样品的典型光谱表现为有两个主峰的曲线——一个宽峰和一个更尖锐、更窄的峰。研究人员此前将宽峰标记为D(无序)带，因为该区域的振动与碳原子相关，这些碳原子具有无序的结构，并与任何数量的其他元素结合。第二个更窄的峰是G(石墨)带，这通常与碳的更有序排列有关，如在石墨材料中发现的。
使用古老的沉积物样品在召唤'实验室中进行研究，鉴定在主D带内的鉴定的子结构与样品中的氢气量直接相关。也就是说，这些亚峰越高，较高的氢气存在 - 这表明样品相对较低的迹象，其原始化学化妆品更好地保存。
为了验证这一新的解释，研究小组试图将拉曼光谱和他们的分析技术应用于化学成分已知的沉积物样品。他们从加州大学洛杉矶分校的一个研究小组获得了额外的古干酪根样本——沉积岩中有机物的碎片，该小组在20世纪80年代使用了细致而艰苦的化学方法，精确地确定了氢与碳的比例。
研究小组很快估算出了相同的比例，首先使用拉曼光谱生成各种干酪根样品的光谱，然后使用他们的方法来解释每个光谱中的峰。研究小组得出的氢与碳的比例与原始比例非常吻合。
“这意味着我们的方法是合理的，我们不需要做疯狂或不可能的化学净化来得到一个精确的答案，”传票说。
映射化石
研究人员更进一步，研究人员想知道他们是否可以使用它们的技术来映射微观化石的化学成分，这通常会含有这么少的碳，即传统化学技术将无法察觉。
“我们想知道，我们能否绘制单个微观化石的地图，看看是否有任何化学差异被保存下来?”召唤说。
为了回答这个问题，研究小组获得了一个原生生物的微观化石——一种古老的单细胞生物，可以代表一种简单的藻类或它的捕食者。科学家们推断，这些化石曾经是生物起源，仅仅从它们的外观和它们与化石记录中的数百种其他模式的相似性。
研究小组使用拉曼光谱以亚微米的分辨率测量整个化石的原子振动，然后使用他们的新分析技术分析产生的光谱。然后，他们根据分析绘制了一幅化学图。
“化石在整个过程中都看到了相同的热历史，但我们发现细胞壁和细胞内容物比细胞基质或外部含有更多的氢，”传票说。“对我来说，这就是生物学的证据。这可能不会说服所有人，但与之前相比，这是一个显著的进步。”
最终，传票说，除了在火星上发现有希望的样本外，该小组的技术将帮助古生物学家了解地球自身的生物进化。
“我们对地球上保存下来的最古老的有机物感兴趣，它们可能会告诉我们一些地球上最早形式的细胞生命的生理学，”传票说。“例如，我们希望了解，我们今天在地球上的生物碳循环是什么时候首次出现的?”它是如何随着时间发展的?这项技术最终将帮助我们找到变化最小的有机物，帮助我们更多地了解生物体是由什么组成的，以及它们是如何工作的。”
这项工作得到了壳牌石油公司和斯伦贝谢通过麻省理工学院 - 能源倡议的联盟，壳牌创新研发的审查研究，西蒙斯基金会对生命的起源，美国宇航局天使生物学研究所的协作，以及最大普朗克社会。
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