编者按：这篇文章最初发表于2007年5月刊的《大众科学》；我们现在发布这篇文章是因为今天发布了关于火星甲烷源的新发现。
在太阳系中除地球以外的所有行星中，火星可以说是最有可能存在生命的行星，无论是已灭绝的还是现存的。它在许多方面都与地球相似：其形成过程、早期气候历史、水库、火山和其他地质过程。微生物非常适合在那里生存。另一个天体，土星最大的卫星土卫六，也经常出现在关于地外生物学的讨论中。在远古时期，土卫六拥有有利于生命分子前体形成的条件，一些科学家认为它当时可能存在生命，甚至现在也可能存在生命。
为了给这些可能性增加趣味性，研究这两个世界的天文学家都探测到了一种经常与生物相关的气体：甲烷。它在火星上以少量但显着的量存在，而土卫六则几乎完全被甲烷覆盖。对于火星来说，生物来源至少与地质来源一样合理，即使对于土卫六来说也是如此。任何一种解释都将以其自身的方式令人着迷，揭示出我们并非宇宙中唯一的生命，或者火星和土卫六都蕴藏着大量的地下水，并伴随着意想不到的地球化学活动水平。了解这些天体上甲烷的起源和命运将为揭示塑造这个太阳系乃至其他太阳系中类地行星的形成、演化和宜居性的过程提供关键线索。
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甲烷 (CH4) 在巨行星——木星、土星、天王星和海王星——上含量丰富，它是原始太阳星云物质化学处理的产物。然而，在地球上，甲烷是特殊的。在地球大气层中 1750 亿分比浓度 (ppbv) 的甲烷中，90% 到 95% 来自生物来源。草食性有蹄类动物，如牛、山羊和牦牛，打嗝会释放出全球每年甲烷排放量的五分之一；这种气体是它们肠道内细菌代谢的副产品。其他重要来源包括白蚁、稻田、沼泽，
天然气泄漏（本身是过去生命的结果）和光合作用植物 [参见 Frank Keppler 和 Thomas Röckmann 的“甲烷、植物和气候变化”；《大众科学》，2007 年 2 月]。火山对地球甲烷总量的贡献不到 0.2%，甚至它们可能只是排放过去生物产生的甲烷。诸如工业过程等非生物来源相对较小。因此，在另一个类地天体上探测到甲烷自然而然地引发了在该天体上存在生命的猜想。
在空气中
这就是 2003 年和 2004 年发生在火星上的事情，当时三个独立的科学家小组宣布在火星大气层中发现了甲烷。美国宇航局戈达德太空飞行中心的 Michael Mumma 领导的一个团队使用夏威夷红外望远镜设施和智利双子座南方望远镜上的高分辨率摄谱仪，探测到火星甲烷浓度超过 250 ppbv，并且在行星表面和可能随时间变化。罗马物理学和行星际科学研究所的 Vittorio Formisano 和他的同事（包括我）分析了火星快车轨道飞行器收集的数千张红外光谱图。我们发现甲烷的含量要少得多，范围从零到大约 35 ppbv，行星平均值约为 10 ppbv。最后，美国天主教大学的 Vladimir Krasnopolsky 和他的同事使用加拿大-法国-夏威夷望远镜，测得的行星平均值约为 10 ppbv。由于信号和空间分辨率较差，他们无法确定行星表面的变化。
Mumma 的团队现在正在重新分析其数据，以试图确定为什么其值是异常值。目前，我将 10 ppbv 的值视为最有可能的值。它对应的甲烷浓度（以每单位体积的分子数计）仅为地球大气层浓度的 4000 万分之一。然而，即使是这种气体最微弱的存在也需要一个解释。
尽管天文学家早在 1944 年就在土卫六上探测到了甲烷，但直到 36 年后额外发现了氮气，才引发了人们对这颗寒冷而遥远的卫星的极大兴趣 [参见 Tobias Owen 的“土卫六”；《大众科学》，1982 年 2 月]。氮是氨基酸和核酸等生物分子的关键组成部分。一个拥有氮-甲烷大气层的天体，其地面压力是我们家园行星的 1.5 倍，可能拥有生命分子前体的正确成分，有些人甚至推测，甚至生命本身也可能在那里形成。
甲烷在维持土卫六浓厚的氮气大气层中起着核心控制作用。它是碳氢化合物雾霾的来源，这些雾霾吸收太阳红外辐射，使平流层升温约 100 摄氏度；也是氢气的来源，氢气的分子碰撞导致对流层升温 20 度。如果甲烷耗尽，温度将会下降，氮气将凝结成液滴，大气层将会崩溃。土卫六的特殊性将永远改变。它的烟雾和云层将会消散。似乎雕刻了其表面的甲烷雨将会停止。湖泊、水坑和小溪将会干涸。而且，随着面纱的揭开，土卫六荒凉的表面将暴露无遗，地球上的望远镜可以轻易地观察到它。土卫六将失去其神秘感，变成另一颗空气稀薄的卫星。
火星和土卫六上的甲烷是否可能像地球上一样具有生物起源，还是有其他解释，例如火山或彗星和陨石的撞击？我们对地球物理、化学和生物过程的理解有助于缩小火星上可能来源的范围，许多相同的论点也适用于土卫六。
阳光分解 回答这个问题的首要步骤是确定甲烷必须产生或输送的速率。这反过来又取决于气体从大气中移除的速度有多快。在火星表面上方 60 公里及以上的高度，太阳紫外线辐射会分解甲烷分子。在大气层较低处，氧原子和羟基自由基 (OH) 会氧化甲烷，羟基自由基是在紫外线光子分解水分子时形成的。如果没有补充，甲烷将逐渐从大气中消失。甲烷的“寿命”——定义为气体浓度下降数学常数 e（约为 3）倍所需的时间——为 300 到 600 年，具体取决于水蒸气的量（水蒸气会经历季节性变化）和太阳辐射强度（太阳辐射强度在太阳周期中会发生变化）。在地球上，类似的过程使甲烷的寿命约为 10 年。在土卫六上，太阳紫外线辐射弱得多，含氧分子也明显少得多，甲烷可以持续 1000 万到 1 亿年（这在地质时间尺度上仍然很短）。
甲烷在火星上的寿命足够长，足以让风和扩散将气体相当均匀地混合到大气中。因此，观察到的甲烷水平在行星表面的变化令人费解。它们可能表明气体来自局部来源或消失在局部汇中。一种可能的汇是化学活性土壤，它可能会加速甲烷的损失。如果存在这样的额外汇，则需要更大的来源才能维持观察到的丰度。
下一步是考虑形成甲烷的潜在情景。红色星球是一个很好的起点，因为它的甲烷丰度非常低。如果一种机制甚至无法解释如此少量的甲烷，那么它就不太可能解释土卫六含量更高的甲烷。对于 600 年的寿命，每年必须产生略多于 100 公吨的甲烷才能维持 10 ppbv 的恒定全球平均值。这大约是地球生产速率的 25 万分之一。
与地球一样，火山很可能不是甲烷的来源。火星火山已经熄灭数亿年了。此外，如果火山是甲烷的来源，它也会喷出大量的二氧化硫，而火星的大气层中没有硫化合物。行星外的贡献似乎也很小。据估计，每年约有 2000 吨微陨石尘埃到达火星表面。其中碳的质量不到 1%，而且即使是这种物质也大部分被氧化，因此甲烷的来源微不足道。彗星的重量约 1% 是甲烷，但它们平均每 6000 万年才撞击一次火星。因此，输送的甲烷量约为每年 1 吨，不到所需量的 1%。
是否有可能彗星在不久的过去撞击过火星？它可能输送了大量的甲烷，随着时间的推移，大气中的丰度会下降到目前的水平。100 年前直径 200 米的彗星撞击，或 2000 年前直径 500 米的彗星撞击，可能提供了足够的甲烷来解释目前观察到的 10 ppbv 的全球平均值。但这个想法遇到了一个问题：甲烷在行星表面的分布并不均匀。垂直和水平均匀分布甲烷所需的时间最多为几个月。因此，与观测结果相反，彗星来源将导致火星上甲烷的均匀分布。
水下的烟雾 这就给我们留下了两种可能的来源：水文地球化学和微生物。任何一种都将令人着迷。水热喷口，即所谓的黑烟囱，于 1977 年在地球上的加拉帕戈斯裂谷首次被发现 [参见 Ken C. Macdonald 和 Bruce P. Luyendyk 的“东太平洋隆起之巅”；《大众科学》，1981 年 5 月]。从那时起，海洋学家在许多其他大洋中脊也发现了它们。实验室实验表明，在这些喷口普遍存在的条件下，超镁铁质硅酸盐——富含铁或镁的岩石，如橄榄石和辉石——可以反应生成氢气，这个过程通常被称为蛇纹石化。反过来，氢气与碳粒、二氧化碳、一氧化碳或碳质矿物的反应可以产生甲烷。
这个过程的关键是氢气、碳、金属（充当催化剂）以及热量和压力。这些在火星上也都有。蛇纹石化过程可能发生在高温（350 至 400 摄氏度）或较低温（30 至 90 摄氏度）下。据估计，这些较低的温度发生在火星上所谓的含水层内。
尽管低温蛇纹石化可能能够产生火星甲烷，但生物学仍然是一种重要的可能性。在地球上，被称为产甲烷菌的微生物以消耗氢气、二氧化碳或一氧化碳为副产品产生甲烷。如果这样的生物生活在火星上，它们会发现现成的营养物质来源：氢气（在蛇纹石化过程中产生或从大气扩散到土壤中）加上二氧化碳和一氧化碳（在岩石中或来自大气）。
一旦通过蛇纹石化或微生物形成，甲烷就可以作为稳定的笼形水合物储存起来——一种化学结构，像笼子里的动物一样捕获甲烷分子——以便稍后释放到大气中，可能是通过裂缝和裂隙逐渐释放出来，或者通过火山活动引发的间歇性爆发释放出来。没有人确定笼形水合物的形成效率有多高，或者它们会多么容易地变得不稳定。
火星快车号的观测表明，在含有地下水冰的区域上空，甲烷浓度更高。地质或生物情景都可以解释这种相关性。冰层下的含水层将为生物提供栖息地，或为水文地球化学甲烷的产生提供场所。在没有更多数据的情况下，生物和地质的可能性似乎同样大。
土卫六上的海洋
乍一看，人们可能会认为土卫六上的甲烷更容易理解：这颗卫星形成于土星的亚星云中，土星的大气层中含有大量的这种气体。然而，数据表明土卫六上的甲烷是自身产生的，而不是输送到土卫六的。美国宇航局和欧洲航天局卡西尼-惠更斯任务的惠更斯探测器在土卫六的大气层中没有发现氙或氪。如果形成土卫六的星子带来了甲烷，它们也会带来这些重稀有气体。这些气体的缺失表明甲烷很可能是在土卫六上形成的。
因此，土卫六上甲烷的存在与火星上甲烷的存在一样神秘——在某些方面甚至更神秘，因为它数量巨大（体积的 5%）。与火星一样，一个合理的来源是在相对较低温度下的蛇纹石化。法国南特大学的 Christophe Sotin 和他的同事认为，土卫六可能维持着一个地下液态水海洋。溶解的氨作为防冻剂，将有助于防止其冻结成固体。在他们的模型中，海洋位于土卫六表面以下 100 公里处，深度为 300 至 400 公里。在过去，放射性元素的衰变和土卫六形成过程中残留的热量可能融化了几乎所有天体的冰——因此海洋可能一直延伸到岩石核心。
在这些条件下，水和岩石之间的反应会释放出氢气，而氢气又会与二氧化碳、一氧化碳、碳粒或其他碳质材料反应——产生甲烷。我估计这个过程能够解释土卫六观测到的甲烷丰度。一旦产生，甲烷就可以作为稳定的笼形水合物储存起来，并通过火山活动逐渐释放到大气中，或者通过撞击引发的爆发释放出来。
一个有趣的线索是惠更斯号在下降穿过土卫六大气层时探测到的氩 40 气体。这种同位素是由钾 40 的放射性衰变形成的，钾 40 被隔离在土卫六核心深处的岩石中。由于钾 40 的放射性半衰期为 13 亿年，大气中少量的氩 40 证明了气体从内部缓慢释放出来。此外，地表的光学和雷达图像显示出冰火山活动的迹象——类似间歇泉的氨-水冰喷发——这也表明物质从内部涌出。表面看起来相对年轻且没有陨石坑，这表明内部物质正在重新铺设表面。估计的表面重铺速率将从内部释放出甲烷，速度足以平衡光化学损失。土卫六上的甲烷扮演着地球上水的角色，包括液态地表水库、云和雨——一个成熟的甲烷循环。因此，存在大量证据，甚至比火星还多，表明储存在内部的甲烷可以毫无困难地到达地表，然后蒸发到大气中。
生物学是否也在土卫六甲烷的产生中发挥作用？美国宇航局艾姆斯研究中心的 Christopher McKay 和法国斯特拉斯堡国际空间大学的 Heather Smith，以及华盛顿州立大学的 Dirk Schulze-Makuch 和丹佛自然与科学博物馆的 David Grinspoon 提出，即使在土卫六表面（–179 摄氏度）的极端寒冷条件下，乙炔和氢气也可以作为产甲烷菌的营养物质。这种生物成因过程与地球上的产甲烷菌及其在火星上的同类（如果有的话）所采用的过程不同，因为它不需要水。相反，土卫六表面上的液态碳氢化合物充当介质。
然而，这个假设有一个缺点。惠更斯号的数据排除了地下乙炔来源的可能性；这种化合物最终必须来自大气中的甲烷。因此，这似乎是一个循环论证：要产生甲烷（通过微生物），就需要甲烷。此外，土卫六上甲烷的含量如此之大，以至于产甲烷菌必须超负荷运转才能产生甲烷，从而严重消耗可用的营养物质。
鉴于这些障碍，与火星相比，土卫六上甲烷的生物学解释不太有吸引力。然而，宜居性的假设值得研究。一些科学家认为，这颗卫星可能曾经或仍然是宜居的。它接收到足够的阳光，可以将氮气和甲烷转化为生物学前体的分子。地下水-氨盐水，加入一些甲烷和其他碳氢化合物，可能为复杂分子甚至生物体提供一个友好的环境。在遥远的过去，当年轻的土卫六仍在冷却时，液态水甚至可能在地表流动。
有机食物
一项可能有助于确定火星和土卫六上甲烷来源的关键测量是碳同位素比率。地球上的生命已经进化到更喜欢碳 12，与碳 13 相比，碳 12 结合所需的能量更少。当氨基酸结合时，由此产生的蛋白质显示出较重同位素的显着缺乏。地球上的生物体中碳 12 的含量是碳 13 的 92 到 97 倍；对于无机物，标准比率为 89.4。
然而，在土卫六上，惠更斯号探测器测得甲烷中的比率为 82.3，这比地球无机标准值更小，而不是更大。这一发现有力地反驳了我们所知的生命的存在。可以肯定的是，一些科学家认为，土卫六上的生命可能与地球上的生命进化方式不同，或者那里的无机同位素比率可能不同。
目前还没有人确定火星的碳同位素比率。当气体浓度如此之低（只有土卫六的十亿分之一）时，这项测量具有挑战性。美国宇航局的火星科学实验室 (MSL) 探测车计划于 2010 年抵达火星，它应该能够对甲烷以及可能的其他有机物中的碳同位素进行精确测量。它还将研究固体和气体样本，以寻找过去或现在生命的其他化学迹象，例如甲烷与较重碳氢化合物（乙烷、丙烷、丁烷）的丰度比率非常高，以及手性（偏爱左手或右手有机分子）。
与这些问题相关的是，为什么有机物似乎从火星表面消失了。即使在没有生命的情况下，陨石、彗星和星际尘埃粒子也应该在过去 45 亿年中输送了有机物。也许答案在于火星尘卷风和风暴以及普通的跃移（风吹尘粒的跳跃）。这些过程会产生强大的静电场，从而引发过氧化氢的化学合成。过氧化氢是一种强效防腐剂，会迅速对表面进行消毒并清除有机物。氧化剂还会加速甲烷从大气中的局部损失，因此需要更大的来源来解释在火星大气中观察到的丰度。
总而言之，甲烷以某种神秘的方式充当着将土卫六结合在一起的粘合剂。火星上甲烷的存在同样引人入胜，尤其因为它让人联想到火星上存在生命的景象。未来对这两个天体的探索将试图确定它们是否曾经宜居。尽管我们所知的生命可以产生甲烷，但甲烷的存在并不一定意味着生命的存在。因此，行星科学家必须彻底调查这种气体的来源、汇和同位素组成，以及气体和固体样本中的其他有机分子和痕量成分。即使发现甲烷与生命无关，研究它也将揭示火星和土卫六的形成、气候历史、地质和演化的最基本方面。