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在机载计算机的引导下，飞船进入围绕火星的预定轨道，盘旋在火星的一块冰原上空。
杰夫和汤姆做好了准备，即将开始飞船降落火星的重大行动。登陆舱与火箭推进器分离后，便直奔火星而去。登陆舱与很久以前月球探险中的登月舱很相像，不过规模要比那个大得多。完成任务后，他们将返回飞船，登陆舱的一部分以及一些仪器将留在火星上，继续对火星表面进行监测，而供他们生活起居的居住舱则将与推进器重新对接后返程。
要在火星表面降落了，他们的心激动得砰砰跳。飞船在火星降落的那一刻，他们以一种无比敬畏的心情从舷窗看出去，火星地景是一片浅橙色，与黑沉沉的天空正好形成强烈的对比。杰夫对汤姆说道：“我知道这违反规定，但我希望我们俩一起迈出踏上火星的第一步。”汤姆欣然赞同。
一小时后，他们穿好全套宇航服，走出登陆舱。当他们踏上火星表面的土地时，想起了出发前对地球观众说过的话：“我们要将地球人类的信息带到我们的姐妹星球火星上。许多科幻小说都以火星生命为题材，我们的火星之旅正是为了寻访科幻小说背后的事实真相。”踏上火星的激情渐渐淡去，他们开始安顿下来，准备按既定的任务开始行动。
登陆舱停在预先探测好的冰原上，汤姆忙着获取冰芯样本，用仪器测定冰层厚度。他发现，冰层厚约在三十至五十英尺之间。在火星上空绕轨道飞行时，他就已经知道了这块冰原的大小，约为一万平方英里。这么多的冰足以解决未来探险活动的用水问题，甚至有可能在火星上建立居民点，作为深太空探险的中间站。
汤姆将一些火星冰块融化咸水，小心地探寻着生命存在的迹象。他将水进行两道过滤，如果水中有细菌，第一道过滤器就会将它们截留下来。过滤装置安置在各种培养液中，以观察是否会有菌群形成。他将部分分离出的水放在显微镜下观察，不见有颗粒状物质形成，没有大量细菌存在的迹象。
第二道过滤程序用来检测是否有病毒的存在。从过滤装置表面获得的样本将注入卵中，然后进一步观察是否有病毒增生。在进行这些研究时，汤姆穿着特殊的生物防护服，以防止受到可能存在的病毒感染。火星取得的水样还将被带回地球做进一步的分析研究，汤姆做了一个又一个实验。他知道，研究的结果要几个星期后才能揭晓，他希望在返回地球之前能取得一些进展。
杰夫在火星表面漫游了好几天，汤姆一直留在太空舱里。杰夫驾驶探测车到远处勘测地质构成情况，他从来没有现在这样的感觉——独自一人在外星的土地上静静地探查、绘图、取样。他认为火星地质层中也许含有维持生命所必需的矿物质，但所有的实验都否定了他的猜想。他真不愿相信，整个宇宙除了地球之外，竟然真的是一片荒凉寂寞的无生命世界。
返回地球的日子越来越近了。整整三个月，宇航员们历经艰辛，在火星上寻找着生命的踪迹。杰夫从各种不同的地质岩层中获得了许多样本，但没有发现任何化石的存在。汤姆既没有发现也没有培养出任何细菌来，对病毒的所有检验结果也都呈阴性。
就在他们准备返程的前几天，绕着火星轨道飞行的两名宇航员遇到了一个大问题：用来制水的机器出了故障，虽然他们有办法将自己的尿液变成饮用水，但仅靠这点儿水是无法在七个月的返程中生存的。
杰夫和汤姆这边还能继续制水，但是登陆舱的制水装置将要留在火星上，在返程途中，他们还是没有办法获得足够的水源。
解决办法倒是有一个，宇航员们已经有了决定，但要等待最后确定。任务控制中心的指示是：“你们在火星上就拥有大量的水。将蓄水罐灌满火星上的水，过滤两次，这样就不用担心细菌和病毒了，加上你们的尿液经过处理后产生的水，足够你们返回地球之用了。”
宇航员对火星水的pH值进行了测试，接近中性，而地球上的水由于溶解了二氧化碳的缘故，稍微偏酸。他们还对火星水进行了原子吸收分析，以确定水里是否有任何溶解的矿物质存在，结果发现，火星水里所含的微量元素远远少于地球水。
后来，任务控制中心的一位科学家对火星水的分析结果进行研究后，说道：“火星水比我们水龙头里流出来的水还要纯净得多，也许口味也好得多。”最后几天里，汤姆一直忙着融冰化水，然后仔细过滤，直到储水罐里的水快要溢出来为止。
离别火星的日子终于来到了。杰夫和汤姆眼看着火星橙黄色的表面渐渐变成一个红色的圆盘，心中不由升起依依惜别之情。登陆舱和轨道飞行器对接后，他们开始了回家的旅程。当他们离开火星轨道时，船长唐纳德·萨默斯对全体机组人员说道：“我们在火星上没有发现生命迹象，但是我们带回了大量的数据以及土壤和水的样本。回到地球后，也许能够找到生命曾经在火星上生存过的证据。”
杰夫和汤姆也同意唐纳德的看法，在他们收集的样本中，仍然有希望找到红色行星曾有过生命存在的线索。但是，他们还是隐隐有些担心，也许火星一直以来就是一颗无生命的世界。也许人类和地球上其他生命的存在只是一个幸运的例外，否则广袤的宇宙就会是一片无边无际的死亡世界。
返程之旅进入第四个月时，他们必须要开始饮用火星水了。汤姆第一个尝试。“干杯，”他拿起杯子一饮而尽，“这水的味道真的很美妙，不过，不知是不是我的幻觉，我似乎有一种奇怪的感觉。”
比尔也说道：“你说得没错。不过，如果不想在剩下的三个月里渴死，我们也只好将就了。”他们四人终于习惯了这种奇怪的感觉，反正他们知道这水是绝对纯净的。每个人都归心似箭，盼望着回家的一天早日到来。
杰夫第一个注意到了某种变化。他一头浓密的金发开始变得稀疏起来，事实上，他身体上所有的体毛都在渐渐消失。他戴上一顶棒球帽，以掩盖自己形象的改变。有一天，他没戴帽子，汤姆惊讶地问道：“天哪，你怎么啦？”正说着，他也呆住了，他在水池里看见了自己掉下来的一丛头发。没多久，四名宇航员似乎患了同样的病——他们的头发全都掉光了。
比尔和唐纳德都是有家室的人，他们比另外两个单身汉有更多的焦虑。比尔对唐纳德说：“我不知道是怎么了，我努力地思念我的家人，却不由自主地渐渐淡忘了他们。”
满脸倦容的唐纳德也说道：“我也是这样，不知道是怎么回事。”
另外，他们的肌肉组织也开始退化，手臂和腿变得越来越长，也越来越细；手上的小拇指渐渐萎缩，直到最后消失不见。这些变化让他们觉得恐惧，与此同时，大脑也在发生着变化。
当返回地球的旅程进入第五个月的时候，他们与任务控制中心的联系完全中止了。几位宇航员的大脑陷入了一片混乱，根本无法集中思想。通讯文字变得陌生起来，但是他们能够了解这些文字背后的意思。他们的思维一直处于混乱之中，直到他们终于越过了从地球人类到火星人的那道界限——完全变成了火星人。现在，他们心情平静，都知道自己所承担的使命。他们静静地坐着，用大大的黑眼睛互相望着，他们的皮肤变成了浅灰色，脑袋像一个巨大的头盖骨，但是他们的脸上不再有惊惶之色。
地球上，艾玛·格里斯和朗达·萨默斯——两位宇航员的妻子，互相常有联系。有一次，朗达在电话里对艾玛说道：“我们好长时间没有来自太空船的消息了，不过似乎有某种遥感信息从太空船传来。希望任务控制中心能给我们更多的消息。”她们经常互通电话，但是她们的期盼很快就要被恐惧所替代。
太空舱与推进器开始分离，一团火焰溅落在太平洋里。海军舰队立即展开搜救行动。医护人员和救援船只很陕到达现场，计算机准确地运行着各项功能。海面上盘旋着的直升机将潜水员放下，他们跃入水中，将缆索套上太空舱，拖到附近的一艘航空母舰上。一位经过专业训练的技师打开舱门，里面的四位宇航员默默无语，一言不发——技师打开舱门的一瞬间，还以为出现在面前的已经是四具尸体。眼前的景象令技师惊骇莫名，他立刻大叫起来，让人将这四位弄走。
四位宇航员返回地球�