甲烷 火星上的甲烷来自哪里？

众所周知，在地球上，95%的甲烷是由生物产生的。一种叫做产甲烷菌的细菌栖息在湿地，以有机物质为食，并排放甲烷，甲烷占地球大气中甲烷的近四分之一。牛的肠道细菌是甲烷的第二大生产者。

但是科学家意外地在另一颗行星火星上发现了甲烷。

火星上的甲烷

2003年，美国天文学家使用大型望远镜捕捉火星上甲烷的红外指纹。他们发现火星大气中应该有大量的甲烷气体，含有近19000吨甲烷。这怎么可能？

今天的火星是一颗极其寒冷的沙漠星球。由于大气稀薄，在火星的高层大气中，强烈的紫外线会分解大气中的甲烷分子；在低层大气中，水分子被紫外线分解时，大气中的氧原子和羟基(OH)也会氧化甲烷。因此，甲烷在火星大气中只能存在300~600年左右，没有补充。

我们都知道火星表面没有生命，但非常奇怪的是，频繁造访火星的彗星和星际尘埃粒子，竟然也携带了过去45亿年的有机物。为什么生命没有形成？也许答案就在火星表面。火星尘卷和风暴会产生强烈的静电场，引发过氧化氢的化学合成。过氧化氢是一种强氧化剂。现在其水溶液常用于医疗伤口消毒和环境消毒。同样，火星表面产生的大量过氧化氢会迅速对火星表面进行消毒，去除有机物。另一方面，氧化剂会加速火星大气中甲烷的流失，因此很难解释火星大气中的甲烷。

由于这种观测是在地面上进行的，观测结果也可能受到地球自身空气体中甲烷浓度的影响。由于计算错误，科学家们害怕公布研究结果。但是后续的研究，特别是NASA的好奇号探测器在火星上收集的数据证明，火星上确实存在甲烷，大约是大气浓度的十亿分之一，火星大气中每年大约有200吨甲烷气体流动。

所以，在火星上，一定有可以持续补充甲烷气体的来源。会是什么呢？

可能的来源和方式

虽然今天地球上的甲烷主要来自微生物，但甲烷也来自许多非生物来源。

火山爆发可能会释放甲烷。然而，在火星上，火山已经沉寂了数亿年。即使甲烷真的是从火山喷出来的，也会同时释放出大量的二氧化硫，但是在火星的大气中没有检测到硫化物。

火星上的甲烷也不太可能来自外太平洋空。每年大约有2000吨的微陨尘到达火星表面。但是碳占不到1%，大部分被氧化，所以不会是甲烷的主要来源。

然而，彗星中含有的甲烷约占总体积的1%。只要质量合适，彗星可能会向火星“输送”大量的甲烷气体。彗星平均每6000万年大规模撞击火星一次。那么，彗星过去有可能造访过火星吗？

科学家推测，如果100年前直径200米的彗星或2000年前直径500米的彗星撞击火星，它们携带的有机物会被太阳紫外线分解成甲烷，这可以解释目前在火星上观测到的甲烷量。然而，这种猜测也遇到了一个问题。彗星撞击后，撞击区的甲烷浓度会突然上升，但最多也就几个月的时间。由于风或气体的扩散，甲烷将均匀分布在整个火星大气中。但是在今天的火星大气中，甲烷的分布是不均匀的，其浓度会随着季节和地点而变化。

根据好奇号的发现，在三年内，它观察到火星上甲烷浓度略低于1 ppbv。Ppbv指气体的浓度单位，即气体体积占总气体体积的十亿分之一。然而，两个月后，火星大气中的甲烷浓度将增加到7ppbv。7ppbv太高，无法用彗星、陨石或尘埃来解释。所以甲烷一定来自火星内部。

最后可能的来源

那么，就剩下两种可能的来源:地下水化学反应和微生物。

在地球温暖而富含矿物质的深海温泉中，富含铁或镁的岩石与液态水相互作用后可以产生氢气。随后，氢气与碳颗粒、二氧化碳、一氧化碳或含碳矿物反应生成甲烷。

这个反应的关键因素是氢、碳、金属(作为催化剂)和压力，火星拥有所有这些关键因素。但另一个影响因素是地质热源。海底产生甲烷的化学反应一般要求海水中的温度为350℃~400℃，最低温度也要求为30℃~90℃。而火星的平均表面温度只有-65℃左右。这怎么可能？

一些科学家认为，尽管火星上的许多陨石坑被冰覆盖，但火星含水层中可能存在适合甲烷生成的温度。火星形成过程中的余热和其中放射性元素的衰减，可能会融化掉这层几乎所有的冰，所以液态水可以一直延伸到核心。

火星上有微生物吗？

火星上除了地下水的化学反应，还可以产生甲烷。在火星上，如果有微生物，它们实际上可以释放甲烷。在地球上，产甲烷菌消耗氢气、二氧化碳或一氧化碳，副产品是甲烷。这种微生物属于原核生物中的古细菌，不能呼吸氧气。对它们来说，氧气是剧毒的，只能栖息在地下深处、深海热水出口、草食动物等缺氧环境中。

因为产甲烷菌既不需要氧气，也不需要光合作用，这意味着它们可以生活在火星表面之下，这样就可以避免火星上强烈紫外线的“轰炸”。在火星上，它们也有稳定的营养供应:火星上的岩石和大气层富含二氧化碳和一氧化碳。当地下水通过化学反应产生甲烷时，也会产生氢气，或者火星大气中的氢气会渗透到土壤中。

但是火星上的大气压极低，生命很难存在。在一个火星年里，火星的表面气压只有地球的1%到1/1000。相比之下，地球最高点珠穆朗玛峰顶部的压力只有表面压力的三分之一。这个压力太小，火星表面的液态水很难存在。因此，在这样稀薄的空气体中，水很容易沸腾。那么，产甲烷菌能在如此稀薄的大气中生存吗？

美国阿肯色大学的研究人员做了一系列实验。他们选择了四种产甲烷菌，花了20年时间研究这些产甲烷菌是否能在模拟的火星环境中生存。

他们把液体注入试管，模拟火星地下含水层中可能存在的液体；将棉签放入液体中，用土壤覆盖，模拟火星表面；每个试管的内部都处于低压下。研究人员最终发现，这四种产甲烷菌在压力只有地表压力六分之一左右的环境中成功存活，存活时间为3-21天。这个实验表明，对于某些物种来说，低压环境不会对生物的生存产生任何影响。在火星上，确实有可能存在甲烷细菌。

火星上的甲烷一旦通过地下水或微生物的化学反应形成，甲烷就可以作为稳定的笼状水合物储存起来。这种化学结构就像笼子里的动物，它“捕获”甲烷分子。然后，由于地质变化，甲烷通过火星表面的裂缝逃逸到大气中，这就可以解释为什么科学家可以探测到火星大气中的甲烷，为什么甲烷浓度高的区域往往是含有地下水冰的区域。

无论是液态水与岩石的化学反应，还是微生物的形成，这无疑是两个非常好的消息，因为它们会暗示火星上可能真的存在生命。当然，如果真的要确定火星上是否存在生命，还是需要大量的实地测量和验证。

本文来自大科技:2017年第8期杂志文章欢迎读者关注大科技官方微:hdkj1997