火星上的甲烷來(lái)自哪里？

卡卡

我們知道，在地球上，95%的甲烷是生物制造的。被稱為產(chǎn)甲烷菌的一類細(xì)菌棲息于濕地中，以有機(jī)物質(zhì)為食，排出甲烷，它們釋放的甲烷占地球大氣中甲烷的近四分之一。而牛的腸道細(xì)菌則是第二大甲烷制造者。

但科學(xué)家們卻意外地在一個(gè)另外星球——火星上發(fā)現(xiàn)了甲烷。

火星上的甲烷

2003年，美國(guó)天文學(xué)家們利用大型望遠(yuǎn)鏡，捕捉到了火星甲烷的紅外光譜指紋，他們發(fā)現(xiàn)在火星的大氣層中，應(yīng)該有一大團(tuán)甲烷氣體，含有將近一萬(wàn)九千噸的甲烷。這怎么可能呢？

今天的火星是一個(gè)異常寒冷的沙漠星球，由于大氣稀薄，在火星高層大氣層，強(qiáng)烈的紫外線會(huì)將大氣中的甲烷分子分解掉；在低層大氣，當(dāng)水分子被紫外線分解時(shí)，大氣中的氧原子和羥基（OH）也會(huì)氧化甲烷。所以，在沒(méi)有補(bǔ)充的情況下，甲烷在火星大氣層中只能存在約300～600年。

我們都知道火星表面是沒(méi)有生命的，但非常奇怪的是頻繁到訪火星的彗星和星際塵埃顆粒在過(guò)去的45億年間應(yīng)該也會(huì)攜帶有機(jī)物，為什么沒(méi)有形成生命呢？也許答案就在于火星的地表?；鹦菈m卷、風(fēng)暴會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電場(chǎng)，觸發(fā)過(guò)氧化氫的化學(xué)合成。過(guò)氧化氫是一種強(qiáng)氧化劑，現(xiàn)在其水溶液常常被用于醫(yī)用傷口消毒及環(huán)境消毒，同樣，火星表面生成的大量過(guò)氧化氫，將能夠迅速消毒火星表面，清除有機(jī)物。另一方面，氧化劑會(huì)加速甲烷在火星大氣層中的流失，所以火星大氣中存在的甲烷難以解釋。

由于這次觀察是在地面觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果可能也會(huì)受到地球自身空氣中甲烷濃度的影響，科學(xué)家們害怕是由于計(jì)算錯(cuò)誤，不敢發(fā)表研究結(jié)果。但后續(xù)的研究，特別是NASA的好奇號(hào)探測(cè)器在火星上收集到的數(shù)據(jù)證明，火星上的甲烷確實(shí)存在，大約為大氣濃度的十億分之一，每年在火星大氣中流動(dòng)的甲烷氣體大約有200噸。

所以，在火星上，一定有著能持續(xù)補(bǔ)充甲烷氣體的來(lái)源。它會(huì)是什么呢？

可能的來(lái)源途徑

雖然今天地球上的甲烷主要來(lái)自微生物，但甲烷也有許多非生物性來(lái)源。

火山噴發(fā)可能會(huì)釋放甲烷，然而在火星上，火山已經(jīng)數(shù)億年不再活動(dòng)，即便真的是火山噴發(fā)出了甲烷，也會(huì)同時(shí)釋放出大量的二氧化硫，但在火星的大氣中卻沒(méi)有檢測(cè)到硫化物。

火星上的甲烷來(lái)自外太空也不太可能。每年，大約有2000噸微型隕石粉塵會(huì)到達(dá)火星表面。但碳所占的比重少于1%，而且大部分被氧化，因此不會(huì)是甲烷的主要來(lái)源。

不過(guò)，彗星所含的甲烷約占總體積的1%，只要質(zhì)量適當(dāng)，彗星有可能為火星“輸送”大量的甲烷氣體。彗星平均每6000萬(wàn)年才大規(guī)模撞擊一次火星。那么，會(huì)不會(huì)在過(guò)去，曾經(jīng)有彗星造訪了火星呢？

科學(xué)家們推測(cè)，100年前直徑200米的彗星或2000年前直徑500米的彗星，如果撞擊了火星，它們所攜帶的有機(jī)物質(zhì)會(huì)被太陽(yáng)紫外線分解成甲烷，就可以解釋當(dāng)前在火星上觀測(cè)到的甲烷量。但這個(gè)推測(cè)同樣遇到了一個(gè)問(wèn)題，在彗星撞擊后，甲烷在撞擊區(qū)域的濃度會(huì)突然上升，但最長(zhǎng)只需要幾個(gè)月的時(shí)間，由于風(fēng)的作用或者氣體擴(kuò)散，甲烷就會(huì)均勻分布在整個(gè)火星大氣層中。但在今天的火星大氣中，甲烷的分布是不均勻的，濃度會(huì)隨著季節(jié)和地點(diǎn)而改變。

根據(jù)好奇號(hào)的發(fā)現(xiàn)，在三年內(nèi)，它在火星上觀察到了甲烷的濃度略低于1 ppbv。ppbv表示氣體的濃度單位，意思為該氣體體積占總氣體體積的十億分之一。但在兩個(gè)月期間，火星大氣中的甲烷濃度會(huì)增加到7ppbv。7ppbv這一值太高了，彗星、隕石或塵埃都無(wú)法解釋。所以甲烷一定是來(lái)自火星內(nèi)部。

最后的可能來(lái)源

那么，最后剩下了兩個(gè)可能的來(lái)源：地下水化學(xué)反應(yīng)和微生物。

在地球溫暖而富含礦物質(zhì)的深海熱泉中，那些富含鐵或鎂的巖石與液態(tài)水作用后可以產(chǎn)生氫。隨后，氫與碳粒、二氧化碳、一氧化碳或含碳礦物質(zhì)反應(yīng)后會(huì)產(chǎn)生甲烷。

這一反應(yīng)的關(guān)鍵因素是氫、碳、金屬（作為催化劑）和壓力，火星擁有所有這些關(guān)鍵因素。但是另外一個(gè)影響因素是地質(zhì)熱源，海底生成甲烷的化學(xué)反應(yīng)一般要求溫度在350℃～400℃的海水中，最低溫度也要求是30℃～90℃。然而，現(xiàn)在火星的表面平均溫度只有約-65℃，這怎么可能呢？

也有科學(xué)家們認(rèn)為：雖然火星很多環(huán)形山中間都被冰覆蓋，但在火星的含水層可能存在著讓甲烷生成的適宜溫度，火星形成時(shí)的剩余熱量以及其內(nèi)部放射性元素的衰減可能融化了這一層的幾乎所有的冰，所以液態(tài)水可以一直延伸到巖心。

火星上存在微生物？

除了火星地下水化學(xué)反應(yīng)可以產(chǎn)生甲烷，在火星上，如果真的存在微生物的話，實(shí)際上這些微生物也能釋放甲烷。在地球上，產(chǎn)甲烷菌會(huì)消耗氫、二氧化碳或一氧化碳，副產(chǎn)物則是甲烷，這種微生物屬于原核生物中的古生菌，不能呼吸氧氣，對(duì)它們來(lái)說(shuō)，氧氣具有致命毒性，它們只能棲息在地面下深處、深海熱水口、食草動(dòng)物內(nèi)臟等缺氧環(huán)境中。

由于產(chǎn)甲烷菌既不需要氧氣，也不需要光合作用，這意味著它們可以生存在火星地表之下，這樣就可以躲避火星上強(qiáng)烈紫外線的“轟炸”。在火星上，它們也會(huì)有源源不斷的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)：火星上的巖石和大氣中富含的二氧化碳、一氧化碳。當(dāng)?shù)叵滤?jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生甲烷時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生氫氣，或者是火星大氣中的氫氣會(huì)滲透到土壤中。

然而，火星大氣壓極低，讓生命很難存在。在一個(gè)火星年中，火星地表壓力值只有地球地表壓力值的百分之一到千分之一。相比之下，地球上的最高點(diǎn)——珠穆朗瑪峰的頂部，壓力也只是地表壓力值的三分之一。這一壓力太小，讓火星表面上的液態(tài)水難以存在，因此在如此稀薄的空氣中，水容易沸騰。那么，產(chǎn)甲烷菌能夠在如此稀薄的大氣中生存嗎？

美國(guó)阿肯色大學(xué)的研究人員做了一組實(shí)驗(yàn)，他們挑選了四種甲烷菌，花了20年時(shí)間，研究這些甲烷菌在模擬的火星環(huán)境中是否能夠存活。

他們往試管中注入液體，模擬可能在火星地下含水層中存在的液體；液體中放置棉簽，棉簽上覆蓋著泥土，以此模擬火星地表；每個(gè)試管內(nèi)部都承受著較低的壓力。研究人員最終發(fā)現(xiàn)，四種甲烷菌在壓力大約只有地表壓力的六千分之一的環(huán)境中，都成功地存活了下來(lái)，存活時(shí)間為3 ～21天。這一試驗(yàn)表明，對(duì)于某些物種來(lái)說(shuō)，低壓環(huán)境不會(huì)對(duì)生物體的生存產(chǎn)生任何影響。在火星上，真的有可能存在甲烷菌。

一旦火星上的甲烷由地下水化學(xué)反應(yīng)形成或微生物形成，甲烷可以以穩(wěn)定的籠形水合物儲(chǔ)存，這種化學(xué)結(jié)構(gòu)就像用籠子圈住動(dòng)物一樣，將甲烷分子“捕獲”，隨后由于地質(zhì)變動(dòng)，甲烷由火星地表裂縫逃逸到大氣層中，這就可以解釋科學(xué)家們?yōu)槭裁茨茉诨鹦谴髿鈱又袡z測(cè)到甲烷，而且為什么甲烷濃度較高的區(qū)域，往往是含有地下水冰的地區(qū)。

無(wú)論是液態(tài)水和巖石的化學(xué)反應(yīng)生成，還是微生物生成，這無(wú)疑都是兩個(gè)非常好的消息，因?yàn)檫@將暗示著火星上可能真的存在生命。當(dāng)然，要真想確定火星上生命的存在，還需要大量的實(shí)地測(cè)量和驗(yàn)證。endprint