編者按：這篇文章最初發表於2007年5月刊的《大眾科學》；我們現在釋出這篇文章是因為今天釋出了關於火星甲烷源的新發現。
在太陽系中除地球以外的所有行星中，火星可以說是最有可能存在生命的行星，無論是已滅絕的還是現存的。它在許多方面都與地球相似：其形成過程、早期氣候歷史、水庫、火山和其他地質過程。微生物非常適合在那裡生存。另一個天體，土星最大的衛星土衛六，也經常出現在關於地外生物學的討論中。在遠古時期，土衛六擁有有利於生命分子前體形成的條件，一些科學家認為它當時可能存在生命，甚至現在也可能存在生命。
為了給這些可能性增加趣味性，研究這兩個世界的天文學家都探測到了一種經常與生物相關的氣體：甲烷。它在火星上以少量但顯著的量存在，而土衛六則幾乎完全被甲烷覆蓋。對於火星來說，生物來源至少與地質來源一樣合理，即使對於土衛六來說也是如此。任何一種解釋都將以其自身的方式令人著迷，揭示出我們並非宇宙中唯一的生命，或者火星和土衛六都蘊藏著大量的地下水，並伴隨著意想不到的地球化學活動水平。瞭解這些天體上甲烷的起源和命運將為揭示塑造這個太陽系乃至其他太陽系中類地行星的形成、演化和宜居性的過程提供關鍵線索。
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甲烷 (CH4) 在巨行星——木星、土星、天王星和海王星——上含量豐富，它是原始太陽星雲物質化學處理的產物。然而，在地球上，甲烷是特殊的。在地球大氣層中 1750 億分比濃度 (ppbv) 的甲烷中，90% 到 95% 來自生物來源。草食性有蹄類動物，如牛、山羊和犛牛，打嗝會釋放出全球每年甲烷排放量的五分之一；這種氣體是它們腸道內細菌代謝的副產品。其他重要來源包括白蟻、稻田、沼澤，
天然氣洩漏（本身是過去生命的結果）和光合作用植物 [參見 Frank Keppler 和 Thomas Röckmann 的“甲烷、植物和氣候變化”；《大眾科學》，2007 年 2 月]。火山對地球甲烷總量的貢獻不到 0.2%，甚至它們可能只是排放過去生物產生的甲烷。諸如工業過程等非生物來源相對較小。因此，在另一個類地天體上探測到甲烷自然而然地引發了在該天體上存在生命的猜想。
在空氣中
這就是 2003 年和 2004 年發生在火星上的事情，當時三個獨立的科學家小組宣佈在火星大氣層中發現了甲烷。美國宇航局戈達德太空飛行中心的 Michael Mumma 領導的一個團隊使用夏威夷紅外望遠鏡設施和智利雙子座南方望遠鏡上的高解析度攝譜儀，探測到火星甲烷濃度超過 250 ppbv，並且在行星表面和可能隨時間變化。羅馬物理學和行星際科學研究所的 Vittorio Formisano 和他的同事（包括我）分析了火星快車軌道飛行器收集的數千張紅外光譜圖。我們發現甲烷的含量要少得多，範圍從零到大約 35 ppbv，行星平均值約為 10 ppbv。最後，美國天主教大學的 Vladimir Krasnopolsky 和他的同事使用加拿大-法國-夏威夷望遠鏡，測得的行星平均值約為 10 ppbv。由於訊號和空間解析度較差，他們無法確定行星表面的變化。
Mumma 的團隊現在正在重新分析其資料，以試圖確定為什麼其值是異常值。目前，我將 10 ppbv 的值視為最有可能的值。它對應的甲烷濃度（以每單位體積的分子數計）僅為地球大氣層濃度的 4000 萬分之一。然而，即使是這種氣體最微弱的存在也需要一個解釋。
儘管天文學家早在 1944 年就在土衛六上探測到了甲烷，但直到 36 年後額外發現了氮氣，才引發了人們對這顆寒冷而遙遠的衛星的極大興趣 [參見 Tobias Owen 的“土衛六”；《大眾科學》，1982 年 2 月]。氮是氨基酸和核酸等生物分子的關鍵組成部分。一個擁有氮-甲烷大氣層的天體，其地面壓力是我們家園行星的 1.5 倍，可能擁有生命分子前體的正確成分，有些人甚至推測，甚至生命本身也可能在那裡形成。
甲烷在維持土衛六濃厚的氮氣大氣層中起著核心控制作用。它是碳氫化合物霧霾的來源，這些霧霾吸收太陽紅外輻射，使平流層升溫約 100 攝氏度；也是氫氣的來源，氫氣的分子碰撞導致對流層升溫 20 度。如果甲烷耗盡，溫度將會下降，氮氣將凝結成液滴，大氣層將會崩潰。土衛六的特殊性將永遠改變。它的煙霧和雲層將會消散。似乎雕刻了其表面的甲烷雨將會停止。湖泊、水坑和小溪將會乾涸。而且，隨著面紗的揭開，土衛六荒涼的表面將暴露無遺，地球上的望遠鏡可以輕易地觀察到它。土衛六將失去其神秘感，變成另一顆空氣稀薄的衛星。
火星和土衛六上的甲烷是否可能像地球上一樣具有生物起源，還是有其他解釋，例如火山或彗星和隕石的撞擊？我們對地球物理、化學和生物過程的理解有助於縮小火星上可能來源的範圍，許多相同的論點也適用於土衛六。
陽光分解 回答這個問題的首要步驟是確定甲烷必須產生或輸送的速率。這反過來又取決於氣體從大氣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，太陽紫外線輻射會分解甲烷分子。在大氣層較低處，氧原子和羥基自由基 (OH) 會氧化甲烷，羥基自由基是在紫外線光子分解水分子時形成的。如果沒有補充，甲烷將逐漸從大氣中消失。甲烷的“壽命”——定義為氣體濃度下降數學常數 e（約為 3）倍所需的時間——為 300 到 600 年，具體取決於水蒸氣的量（水蒸氣會經歷季節性變化）和太陽輻射強度（太陽輻射強度在太陽週期中會發生變化）。在地球上，類似的過程使甲烷的壽命約為 10 年。在土衛六上，太陽紫外線輻射弱得多，含氧分子也明顯少得多，甲烷可以持續 1000 萬到 1 億年（這在地質時間尺度上仍然很短）。
甲烷在火星上的壽命足夠長，足以讓風和擴散將氣體相當均勻地混合到大氣中。因此，觀察到的甲烷水平在行星表面的變化令人費解。它們可能表明氣體來自區域性來源或消失在區域性匯中。一種可能的匯是化學活性土壤，它可能會加速甲烷的損失。如果存在這樣的額外匯，則需要更大的來源才能維持觀察到的丰度。
下一步是考慮形成甲烷的潛在情景。紅色星球是一個很好的起點，因為它的甲烷丰度非常低。如果一種機制甚至無法解釋如此少量的甲烷，那麼它就不太可能解釋土衛六含量更高的甲烷。對於 600 年的壽命，每年必須產生略多於 100 公噸的甲烷才能維持 10 ppbv 的恆定全球平均值。這大約是地球生產速率的 25 萬分之一。
與地球一樣，火山很可能不是甲烷的來源。火星火山已經熄滅數億年了。此外，如果火山是甲烷的來源，它也會噴出大量的二氧化硫，而火星的大氣層中沒有硫化合物。行星外的貢獻似乎也很小。據估計，每年約有 2000 噸微隕石塵埃到達火星表面。其中碳的質量不到 1%，而且即使是這種物質也大部分被氧化，因此甲烷的來源微不足道。彗星的重量約 1% 是甲烷，但它們平均每 6000 萬年才撞擊一次火星。因此，輸送的甲烷量約為每年 1 噸，不到所需量的 1%。
是否有可能彗星在不久的過去撞擊過火星？它可能輸送了大量的甲烷，隨著時間的推移，大氣中的丰度會下降到目前的水平。100 年前直徑 200 米的彗星撞擊，或 2000 年前直徑 500 米的彗星撞擊，可能提供了足夠的甲烷來解釋目前觀察到的 10 ppbv 的全球平均值。但這個想法遇到了一個問題：甲烷在行星表面的分佈並不均勻。垂直和水平均勻分佈甲烷所需的時間最多為幾個月。因此，與觀測結果相反，彗星來源將導致火星上甲烷的均勻分佈。
水下的煙霧 這就給我們留下了兩種可能的來源：水文地球化學和微生物。任何一種都將令人著迷。水熱噴口，即所謂的黑煙囪，於 1977 年在地球上的加拉帕戈斯裂谷首次被發現 [參見 Ken C. Macdonald 和 Bruce P. Luyendyk 的“東太平洋隆起之巔”；《大眾科學》，1981 年 5 月]。從那時起，海洋學家在許多其他大洋中脊也發現了它們。實驗室實驗表明，在這些噴口普遍存在的條件下，超鎂鐵質矽酸鹽——富含鐵或鎂的岩石，如橄欖石和輝石——可以反應生成氫氣，這個過程通常被稱為蛇紋石化。反過來，氫氣與碳粒、二氧化碳、一氧化碳或碳質礦物的反應可以產生甲烷。
這個過程的關鍵是氫氣、碳、金屬（充當催化劑）以及熱量和壓力。這些在火星上也都有。蛇紋石化過程可能發生在高溫（350 至 400 攝氏度）或較低溫（30 至 90 攝氏度）下。據估計，這些較低的溫度發生在火星上所謂的含水層內。
儘管低溫蛇紋石化可能能夠產生火星甲烷，但生物學仍然是一種重要的可能性。在地球上，被稱為產甲烷菌的微生物以消耗氫氣、二氧化碳或一氧化碳為副產品產生甲烷。如果這樣的生物生活在火星上，它們會發現現成的營養物質來源：氫氣（在蛇紋石化過程中產生或從大氣擴散到土壤中）加上二氧化碳和一氧化碳（在岩石中或來自大氣）。
一旦透過蛇紋石化或微生物形成，甲烷就可以作為穩定的籠形水合物儲存起來——一種化學結構，像籠子裡的動物一樣捕獲甲烷分子——以便稍後釋放到大氣中，可能是透過裂縫和裂隙逐漸釋放出來，或者透過火山活動引發的間歇性爆發釋放出來。沒有人確定籠形水合物的形成效率有多高，或者它們會多麼容易地變得不穩定。
火星快車號的觀測表明，在含有地下水冰的區域上空，甲烷濃度更高。地質或生物情景都可以解釋這種相關性。冰層下的含水層將為生物提供棲息地，或為水文地球化學甲烷的產生提供場所。在沒有更多資料的情況下，生物和地質的可能性似乎同樣大。
土衛六上的海洋
乍一看，人們可能會認為土衛六上的甲烷更容易理解：這顆衛星形成於土星的亞星雲中，土星的大氣層中含有大量的這種氣體。然而，資料表明土衛六上的甲烷是自身產生的，而不是輸送到土衛六的。美國宇航局和歐洲航天局卡西尼-惠更斯任務的惠更斯探測器在土衛六的大氣層中沒有發現氙或氪。如果形成土衛六的星子帶來了甲烷，它們也會帶來這些重稀有氣體。這些氣體的缺失表明甲烷很可能是在土衛六上形成的。
因此，土衛六上甲烷的存在與火星上甲烷的存在一樣神秘——在某些方面甚至更神秘，因為它數量巨大（體積的 5%）。與火星一樣，一個合理的來源是在相對較低溫度下的蛇紋石化。法國南特大學的 Christophe Sotin 和他的同事認為，土衛六可能維持著一個地下液態水海洋。溶解的氨作為防凍劑，將有助於防止其凍結成固體。在他們的模型中，海洋位於土衛六表面以下 100 公里處，深度為 300 至 400 公里。在過去，放射性元素的衰變和土衛六形成過程中殘留的熱量可能融化了幾乎所有天體的冰——因此海洋可能一直延伸到岩石核心。
在這些條件下，水和岩石之間的反應會釋放出氫氣，而氫氣又會與二氧化碳、一氧化碳、碳粒或其他碳質材料反應——產生甲烷。我估計這個過程能夠解釋土衛六觀測到的甲烷丰度。一旦產生，甲烷就可以作為穩定的籠形水合物儲存起來，並透過火山活動逐漸釋放到大氣中，或者透過撞擊引發的爆發釋放出來。
一個有趣的線索是惠更斯號在下降穿過土衛六大氣層時探測到的氬 40 氣體。這種同位素是由鉀 40 的放射性衰變形成的，鉀 40 被隔離在土衛六核心深處的岩石中。由於鉀 40 的放射性半衰期為 13 億年，大氣中少量的氬 40 證明了氣體從內部緩慢釋放出來。此外，地表的光學和雷達影像顯示出冰火山活動的跡象——類似間歇泉的氨-水冰噴發——這也表明物質從內部湧出。表面看起來相對年輕且沒有隕石坑，這表明內部物質正在重新鋪設表面。估計的表面重鋪速率將從內部釋放出甲烷，速度足以平衡光化學損失。土衛六上的甲烷扮演著地球上水的角色，包括液態地表水庫、雲和雨——一個成熟的甲烷迴圈。因此，存在大量證據，甚至比火星還多，表明儲存在內部的甲烷可以毫無困難地到達地表，然後蒸發到大氣中。
生物學是否也在土衛六甲烷的產生中發揮作用？美國宇航局艾姆斯研究中心的 Christopher McKay 和法國斯特拉斯堡國際空間大學的 Heather Smith，以及華盛頓州立大學的 Dirk Schulze-Makuch 和丹佛自然與科學博物館的 David Grinspoon 提出，即使在土衛六表面（–179 攝氏度）的極端寒冷條件下，乙炔和氫氣也可以作為產甲烷菌的營養物質。這種生物成因過程與地球上的產甲烷菌及其在火星上的同類（如果有的話）所採用的過程不同，因為它不需要水。相反，土衛六表面上的液態碳氫化合物充當介質。
然而，這個假設有一個缺點。惠更斯號的資料排除了地下乙炔來源的可能性；這種化合物最終必須來自大氣中的甲烷。因此，這似乎是一個迴圈論證：要產生甲烷（透過微生物），就需要甲烷。此外，土衛六上甲烷的含量如此之大，以至於產甲烷菌必須超負荷運轉才能產生甲烷，從而嚴重消耗可用的營養物質。
鑑於這些障礙，與火星相比，土衛六上甲烷的生物學解釋不太有吸引力。然而，宜居性的假設值得研究。一些科學家認為，這顆衛星可能曾經或仍然是宜居的。它接收到足夠的陽光，可以將氮氣和甲烷轉化為生物學前體的分子。地下水-氨鹽水，加入一些甲烷和其他碳氫化合物，可能為複雜分子甚至生物體提供一個友好的環境。在遙遠的過去，當年輕的土衛六仍在冷卻時，液態水甚至可能在地表流動。
有機食物
一項可能有助於確定火星和土衛六上甲烷來源的關鍵測量是碳同位素比率。地球上的生命已經進化到更喜歡碳 12，與碳 13 相比，碳 12 結合所需的能量更少。當氨基酸結合時，由此產生的蛋白質顯示出較重同位素的顯著缺乏。地球上的生物體中碳 12 的含量是碳 13 的 92 到 97 倍；對於無機物，標準比率為 89.4。
然而，在土衛六上，惠更斯號探測器測得甲烷中的比率為 82.3，這比地球無機標準值更小，而不是更大。這一發現有力地反駁了我們所知的生命的存在。可以肯定的是，一些科學家認為，土衛六上的生命可能與地球上的生命進化方式不同，或者那裡的無機同位素比率可能不同。
目前還沒有人確定火星的碳同位素比率。當氣體濃度如此之低（只有土衛六的十億分之一）時，這項測量具有挑戰性。美國宇航局的火星科學實驗室 (MSL) 探測車計劃於 2010 年抵達火星，它應該能夠對甲烷以及可能的其他有機物中的碳同位素進行精確測量。它還將研究固體和氣體樣本，以尋找過去或現在生命的其他化學跡象，例如甲烷與較重碳氫化合物（乙烷、丙烷、丁烷）的丰度比率非常高，以及手性（偏愛左手或右手有機分子）。
與這些問題相關的是，為什麼有機物似乎從火星表面消失了。即使在沒有生命的情況下，隕石、彗星和星際塵埃粒子也應該在過去 45 億年中輸送了有機物。也許答案在於火星塵捲風和風暴以及普通的躍移（風吹塵粒的跳躍）。這些過程會產生強大的靜電場，從而引發過氧化氫的化學合成。過氧化氫是一種強效防腐劑，會迅速對錶面進行消毒並清除有機物。氧化劑還會加速甲烷從大氣中的區域性損失，因此需要更大的來源來解釋在火星大氣中觀察到的丰度。
總而言之，甲烷以某種神秘的方式充當著將土衛六結合在一起的粘合劑。火星上甲烷的存在同樣引人入勝，尤其因為它讓人聯想到火星上存在生命的景象。未來對這兩個天體的探索將試圖確定它們是否曾經宜居。儘管我們所知的生命可以產生甲烷，但甲烷的存在並不一定意味著生命的存在。因此，行星科學家必須徹底調查這種氣體的來源、匯和同位素組成，以及氣體和固體樣本中的其他有機分子和痕量成分。即使發現甲烷與生命無關，研究它也將揭示火星和土衛六的形成、氣候歷史、地質和演化的最基本方面。