我們知道,在地球上,95%的甲烷是生物制造的。被稱為產甲烷菌的一類細菌棲息於濕地中,以有機物質為食,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。而牛的腸道細菌則是第二大甲烷制造者。
但科學家們卻意外地在一個另外星球--火星上發現了甲烷。
火星上的甲烷
2003年,美國天文學家們利用大型望遠鏡,捕捉到了火星甲烷的紅外光譜指紋,他們發現在火星的大氣層中,應該有一大團甲烷氣體,含有將近一萬九千噸的甲烷。這怎麽可能呢?
今天的火星是一個異常寒冷的沙漠星球,由於大氣稀薄,在火星高層大氣層,強烈的紫外線會將大氣中的甲烷分子分解掉;在低層大氣,當水分子被紫外線分解時,大氣中的氧原子和羥基(OH)也會氧化甲烷。所以,在沒有補充的情況下,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去的45億年間應該也會攜帶有機物,為什麽沒有形成生命呢?也許答案就在於火星的地表。火星塵卷、風暴會產生強烈的靜電場,觸發過氧化氫的化學合成。過氧化氫是一種強氧化劑,現在其水溶液常常被用於醫用傷口消毒及環境消毒,同樣,火星表面生成的大量過氧化氫,將能夠迅速消毒火星表面,清除有機物。另一方面,氧化劑會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。
由於這次觀察是在地面觀測,觀測結果可能也會受到地球自身空氣中甲烷濃度的影響,科學家們害怕是由於計算錯誤,不敢發表研究結果。但後續的研究,特別是NASA的好奇號探測器在火星上收集到的數據證明,火星上的甲烷確實存在,大約為大氣濃度的十億分之一,每年在火星大氣中流動的甲烷氣體大約有200噸。
所以,在火星上,一定有著能持續補充甲烷氣體的來源。它會是什麽呢?
可能的來源途徑
雖然今天地球上的甲烷主要來自微生物,但甲烷也有許多非生物性來源。
火山噴發可能會釋放甲烷,然而在火星上,火山已經數億年不再活動,即便真的是火山噴發出了甲烷,也會同時釋放出大量的二氧化硫,但在火星的大氣中卻沒有檢測到硫化物。
火星上的甲烷來自外太空也不太可能。每年,大約有2000噸微型隕石粉塵會到達火星表面。但碳所占的比重少於1%,而且大部分被氧化,因此不會是甲烷的主要來源。
不過,彗星所含的甲烷約占總體積的1%,只要質量適當,彗星有可能為火星"輸送"大量的甲烷氣體。彗星平均每6000萬年才大規模撞擊一次火星。那麽,會不會在過去,曾經有彗星造訪了火星呢?
科學家們推測,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,它們所攜帶的有機物質會被太陽紫外線分解成甲烷,就可以解釋當前在火星上觀測到的甲烷量。但這個推測同樣遇到了一個問題,在彗星撞擊後,甲烷在撞擊區域的濃度會突然上升,但最長只需要幾個月的時間,由於風的作用或者氣體擴散,甲烷就會均勻分布在整個火星大氣層中。但在今天的火星大氣中,甲烷的分布是不均勻的,濃度會隨著季節和地點而改變。
根據好奇號的發現,在三年內,它在火星上觀察到了甲烷的濃度略低於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。但在兩個月期間,火星大氣中的甲烷濃度會增加到7ppbv。7ppbv這一值太高了,彗星、隕石或塵埃都無法解釋。所以甲烷一定是來自火星內部。
最後的可能來源
那麽,最後剩下了兩個可能的來源:地下水化學反應和微生物。
在地球溫暖而富含礦物質的深海熱泉中,那些富含鐵或鎂的巖石與液態水作用後可以產生氫。隨後,氫與碳粒、二氧化碳、一氧化碳或含碳礦物質反應後會產生甲烷。
這一反應的關鍵因素是氫、碳、金屬(作為催化劑)和壓力,火星擁有所有這些關鍵因素。但是另外一個影響因素是地質熱源,海底生成甲烷的化學反應一般要求溫度在350℃~400℃的海水中,最低溫度也要求是30℃~90℃。然而,現在火星的表面平均溫度只有約-65℃,這怎麽可能呢?
也有科學家們認為:雖然火星很多環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,火星形成時的剩余熱量以及其內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反應可以產生甲烷,在火星上,如果真的存在微生物的話,實際上這些微生物也能釋放甲烷。在地球上,產甲烷菌會消耗氫、二氧化碳或一氧化碳,副產物則是甲烷,這種微生物屬於原核生物中的古生菌,不能呼吸氧氣,對它們來說,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、食草動物內臟等缺氧環境中。
由於產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烈紫外線的"轟炸"。在火星上,它們也會有源源不斷的營養物質供應:火星上的巖石和大氣中富含的二氧化碳、一氧化碳。當地下水經過化學反應產生甲烷時,也會產生氫氣,或者是火星大氣中的氫氣會滲透到土壤中。
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--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水難以存在,因此在如此稀薄的空氣中,水容易沸騰。那麽,產甲烷菌能夠在如此稀薄的大氣中生存嗎?
美國阿肯色大學的研究人員做了一組實驗,他們挑選了四種甲烷菌,花了20年時間,研究這些甲烷菌在模擬的火星環境中是否能夠存活。
他們往試管中註入液體,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;每個試管內部都承受著較低的壓力。研究人員最終發現,四種甲烷菌在壓力大約只有地表壓力的六千分之一的環境中,都成功地存活了下來,存活時間為3 ~21天。這一試驗表明,對於某些物種來說,低壓環境不會對生物體的生存產生任何影響。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反應形成或微生物形成,甲烷可以以穩定的籠形水合物儲存,這種化學結構就像用籠子圈住動物一樣,將甲烷分子"捕獲",隨後由於地質變動,甲烷由火星地表裂縫逃逸到大氣層中,這就可以解釋科學家們為什麽能在火星大氣層中檢測到甲烷,而且為什麽甲烷濃度較高的區域,往往是含有地下水冰的地區。
無論是液態水和巖石的化學反應生成,還是微生物生成,這無疑都是兩個非常好的消息,因為這將暗示著火星上可能真的存在生命。當然,要真想確定火星上生命的存在,還需要大量的實地測量和驗證。
