寻找火星上曾经存在生命的证据，是人类探测这颗红色星球最重要的科学目标之一。大量地质证据表明，火星早期拥有液态水，这为生命的出现提供了基本条件。但问题是，在随后的几十亿年里，火星变得越来越干燥、辐射越来越强，任何可能存在的微生物残骸，在火星表面都难以留存。黏土矿物和铁锰氧化物矿物是水与岩石相互作用的产物，这些黏粒级矿物可把古代微生物留下的有机分子保存至今。未来的火星采样返回任务，可能只带回少量的样品，可用于损耗性研究的样品可能仅为毫克级别。在这样的极微量样品中，是否有可能从黏粒级矿物（粒径通常小于2微米）里，精准识别出潜在蛋白质等生物大分子的残片？

黏土矿物像一本由极薄页面堆叠而成的书，比表面积很大，很容易吸附并锁定有机分子。铁锰氧化物性质较为类似，且常与黏土长在一起，它们的形成过程本身就可能受到微生物活动的驱动。这两类矿物联手，构成了火星上有希望保存生命信号的天然档案库。过往人们更多关注这两类矿物的宏观分布、光谱特征与形成机制。至于它们和蛋白质等有机大分子在纳米甚至原子尺度上是如何相互作用的，我们知道的还很少。结合高空间分辨率、高化学灵敏度的原位微区分析技术进行联用分析，成为突破探测瓶颈的关键。这两项研究，正是在这条技术路径上的重要探索。

近日，地质微生物与环境全国重点实验室陈中强、方谦团队在《Geology》和《JGR Planets》期刊上发表了两项黏粒级矿物与微生物信号保存的类比研究。在第一项研究中，主要关注地表发育的、也常见于火星上的，黏土矿物和铁锰氧化物组合。利用原子探针层析（APT），研究团队在纳米-亚纳米尺度上对黏粒级矿物中的蛋白质碎片进行了三维定位与解剖。研究揭示了黏粒级矿物如何封存微生物蛋白质碎片，可能对我国天问三号火星采样返回任务的潜在生命探测有启示意义。第二项研究则把视角拉大，聚焦于地球和火星上特殊地貌中黏土矿物的分布差异，探讨了哪些地方的黏土更擅长保存生命信号，以及这对寻找火星生命意味着什么。

原子探针（APT）与原位光谱联用分析

研究提出样品选取遵循三项标准：其一，黏土矿物与铁锰氧化物须在空间上紧密共生，且来自天然环境而非实验室合成；其二，铁锰氧化物的形成与微生物活动存在潜在关联，以确保生物信号可能编码于矿物之中；其三，样品未经历显著的成岩变质改造，有机质降解程度较低。自然界中同时满足这三项标准的样品不多，其中地表富黏土矿物和铁锰氧化物的氧化还原形态相是较为常见的一类。在对矿物学特征开展精细表征之后，研究采用三种互补的光谱技术系统识别出与次生矿物共生的有机质信号，探测到与多肽键相关的关键光谱信号，据此认为与次生矿物紧密共生的含氮有机物以蛋白质来源为主，而非杂环氮化合物或氨基糖等非蛋白质有机氮。

研究聚焦将聚焦离子束（FIB）制样与APT等手段联合分析天然黏粒级（含水）矿物与纳米有机质复合体。APT是一种基于场蒸发原理的三维成分映射技术，能够在亚纳米尺度上逐原子识别样品成分，对C、N、P等生命必须元素具有十万分之一量级的浓度检测限，并对CNO和CN等联合离子团敏感。通过FIB制样实现原位微区分析，无需破坏性的整体萃取流程。这些特性使其在应对毫克乃至微克量级样品时具有明显优势。不过，面对极小尺寸和含水样品的分析，仍存在诸多技术难点需要克服。

分析结果显示，黏土矿物与铁锰氧化物在纳米尺度上相互交织，构成复杂的矿物网络。进一步通过原子直接成像分析与等浓度面分析方法，重建了蛋白质/氨基酸碎片的三维空间分布。结果表明，蛋白质残余物呈现高度非均匀分布，主要富集于由Al等浓度面界定的黏土矿物富集区，以及Fe和Mn等浓度面界定的铁锰氧化物富集区（图1）。在较大（>10 nm）的次生矿物颗粒中，CNO基团对应的蛋白质片段信号峰值主要位于铁锰氧化物颗粒的内边缘，并在外边缘出现次级峰，表明蛋白质大分子可能参与了矿物的形成过程（即生物矿化），并在矿物内部形成封存。碳的三维点云分析在黏土矿物富集区揭示出大约0.7 nm的层间间距周期性分布，该尺度与层状矿物的层间间距一致，指示有机质是以层间嵌入而非简单表面吸附的方式保存于矿物层间域。相比之下，在直径小于5 nm的细小铁锰氧化物颗粒中，CNO基团信号较为有限且主要分布于颗粒边界，表明这类超小颗粒仅能在表面吸附少量游离氨基酸碎片，对蛋白质片段的封存能力较弱 (图2)。总体而言，APT原位微区分析能够在单颗粒矿物内部，以近原子的空间分辨率三维定位并解剖潜在微生物蛋白质碎片等生物大分子的赋存位置，从而在极端有限样品量的条件下仍然获取有意义的生命信号信息。与前人探索APT用于分析生物活体蛋白质的研究不同，本研究直接针对含有黏土矿物-铁锰氧化物与天然有机质复合体系的天然样品，其矿物学复杂性和有机质降解状态与火星返回样品中可能遇到的情形更为接近。这为未来在火星返回样品中识别潜在微生物信号提供了方法参考。

图1  APT分析主要结果及火星返回样品探测示意图。A) CN离子基团 和 N 的等浓度面（分别以浅蓝色和紫色显示，等浓度值分别为 2.5 at% 和 10 at%）揭示了含蛋白质组分碎片的潜在空间分布，青色点代表 CN 离子。B) Mn和氨基酸相关CNO基团等浓度面的纵向扫描展示了元素的三维空间分布。图的第二部分展示了浓度随位置的变化：Fe 的变化对应绿色纵轴，Mn 和 N 的变化对应黑色纵轴；实线代表平均浓度，阴影带表示标准差；青色圆柱指示从上至下进行元素线扫描的区域，黄色点代表 Mn 原子。C)黏土矿物富集区内碳的三维空间分布，揭示出 0.7 nm 的层间距。AR 为自回归模型，AR(1) 为一阶自回归模型。D)火星采样返回与示意图，强调了黏土矿物-铁锰氧化物共生体及基于 APT 原位分析小颗粒样品的重要性。MnOx 为锰氧化物，FeOx 为铁氧化物。

图2 (A-D)对一个纳米级次生矿物富集区局部放大揭示了铁锰氧化物与 C、N、P 和 氨基酸相关CNO基团的空间关系。(E-F)在一个3 μm 的富含铁锰的区域中，可能与有机质或蛋白质碎片相关的 P 或 CNO 信号集中分布在氧化物的边缘，而非内部。

跨空间尺度的探测思路：从宏观选址与微观寻踪

发表于《JGR Planets》的研究提供了宏观地貌尺度上的配套视角。该研究对柴达木盆地雅丹地貌的黏土矿物学和地球化学分析表明，雅丹背风坡因更弱风蚀和化学淋滤，明显富集~1.4 nm可膨胀黏土矿物，为有机分子的留存提供了更为温和有利物理化学屏障，而迎风坡则主要残留对保存有机质相对不擅长的1.0 nm伊利石等黏土矿物。这一宏观规律在一定程度上对应火星高光谱数据中观察到的黏土矿物差异分布。这可能意味着，在火星表面规划生命信号探测选址时，背风坡及其他更受周围高地保护的区域可能具有更高的优先级。

上述研究从两个相互衔接的尺度推进了对火星潜在微生物蛋白保存与极低样品量中生命信号探测的认知：在宏观尺度，微地形控制着黏土矿物的空间分布，从而决定了生命信号赋存的宏观靶区；在微观至原子尺度，矿物的颗粒尺寸和内部晶格结构决定了蛋白质碎片能否被有效封存乃至被现有技术检测到。二者共同为未来的火星探测任务，包括采样区选址和实验室地质微生物分析方案设计奠定了科学依据。

这些研究得到了地质微生物与环境全国重点实验室自主课题、国家自然科学基金和国家重点研发计划项目的支持。

Fang, Q., Deng, A., Yang, J., Yang, L., Hong, H., Xie, P., Gao, K., Liu, C., Qiu, X., Yang, H., Pei, Y., Lu, A., Chen, Z.Q.* (2026). Nanoscale proteinaceous residues in a Mars-analogous secondary mineral assemblage: Implications for Mars sample return. Geology. doi.org/10.1130/G54303.1

Fang, Q.*, Zhao, J., Zhao, L., Gao, K., Jin, T., Yang, L., Chen, Z.Q. (2026). Slope-aspect control of clay minerals in Yardangs on Earth and Mars and implications for the search for Martian biosignatures. Journal of Geophysical Research: Planets, 131(4), e2025JE009642.