（來源：光明日報）

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公眾對火星探索熱情高漲。新華社發(fā)

公眾對火星探索熱情高漲。新華社發(fā)

光明圖片/視覺中國

光明圖片/視覺中國

從1960年蘇聯(lián)發(fā)射首個火星探測器，到美國“毅力”號火星車鉆孔取樣、我國“天問一號”探測器傳回高清火星影像圖，太陽系八大行星中，火星是人類最想探索的“紅色鄰居”，在其稀薄大氣中藏著讓科學(xué)家困惑的謎題——少量卻持續(xù)存在的甲烷。這種由1個碳原子與4個氫原子構(gòu)成的簡單分子（CH4），在地球大氣中的濃度約為1.9ppm（即百萬分之一），在火星大氣中的濃度極低，僅十億分之幾（ppbv級）。地球上甲烷的存在，與生命息息相關(guān)。那么，火星的甲烷源于什么？真的有“火星人”嗎？

甲烷是“可能存在生命的標(biāo)志”

對于人類而言，甲烷是一種極為常見的物質(zhì)。由于其早已深度融入人類日常生活，通常難以引起人們的特別關(guān)注。要弄清科學(xué)家為何執(zhí)著于火星甲烷，需首先明確關(guān)鍵問題：甲烷為何會被視作“可能存在生命的標(biāo)志”？

在地球上，甲烷與生命幾乎是“綁定存在”的。如今地球大氣中，約60%的甲烷來自生物活動，這類甲烷被稱為“生物源甲烷”。濕地里的產(chǎn)甲烷古菌，能在無氧環(huán)境下將植物殘體、腐爛有機物中的碳和氫合成甲烷并釋放到大氣；牛、羊等動物胃內(nèi)微生物分解纖維素時發(fā)酵產(chǎn)甲烷，隨呼吸或排氣排出；煤礦與天然氣田的甲烷，則由數(shù)千萬至數(shù)億年前動植物遺骸經(jīng)掩埋和長期地質(zhì)演變形成。

正因為甲烷與生命關(guān)聯(lián)密切，科學(xué)家形成共識：若某行星大氣存在穩(wěn)定甲烷釋放，且能排除非生物來源，便有理由推測該星球可能存在生命活動——無論是現(xiàn)存生命，還是過往生命的痕跡。

火星不僅確有甲烷，還存在特殊現(xiàn)象：濃度隨季節(jié)變化。2004年，歐洲航天局“火星快車”號首次探測到火星甲烷，濃度約10至50ppbv。消息引發(fā)科學(xué)界轟動，但也有人質(zhì)疑：是探測器故障，還是地球大氣甲烷干擾了數(shù)據(jù)？為驗證這一發(fā)現(xiàn)，后續(xù)各國火星探測任務(wù)紛紛加入觀測。2012年，美國“好奇”號火星車在火星蓋爾隕石坑著陸，其搭載的“火星樣本分析設(shè)備”（SAM）可直接采集火星大氣樣本，通過可調(diào)諧激光光譜儀精準(zhǔn)測量到了甲烷成分。經(jīng)過數(shù)年觀測，“好奇”號不僅證實火星有甲烷，還發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵規(guī)律：火星大氣甲烷濃度呈季節(jié)性波動，北半球夏季濃度最高（有時超40ppbv），冬季則下降至接近儀器檢測極限。

更關(guān)鍵的是，甲烷是有“壽命”的。地球大氣中，甲烷平均能存在9至12年；火星大氣中甲烷被太陽紫外線分解，能存在約320年。這意味著，若火星沒有持續(xù)產(chǎn)生甲烷的“來源”，大氣中的甲烷早該分解殆盡，不可能留存至今。

甲烷的“壽命”與濃度變化的規(guī)律性，指向一個結(jié)論：火星上必然存在持續(xù)產(chǎn)甲烷的源頭，且其“產(chǎn)量”會隨季節(jié)變化。這讓火星甲烷之謎更具吸引力——在環(huán)境惡劣的火星上，究竟是什么能“季節(jié)性產(chǎn)甲烷”？

源自微生物的“呼吸”？

既然地球上大部分甲烷源自生命活動，科學(xué)家推測：火星上是否也存在能產(chǎn)甲烷的微生物？

在地球極端環(huán)境中，確實有產(chǎn)甲烷古菌，其最突出的能力，是可以在完全無氧的環(huán)境中生存，還能用簡單物質(zhì)合成甲烷。從理論上看，火星地下或許存在類似微生物?；鹦潜砻姝h(huán)境惡劣，白天最高溫約20℃，夜間可降至-80℃以下；大氣稀薄，無法抵御太陽紫外線和宇宙射線破壞生物DNA；行星表面干燥、缺乏液態(tài)水，不適宜生命存活。但微生物若藏身地下則不同——地下200米以下能隔絕輻射、維持穩(wěn)定溫度，加之火星極地冰蓋與地下可能存在的鹽水層可提供液態(tài)水，這些都為微生物生存創(chuàng)造了條件。不過，這一猜想還面臨兩個現(xiàn)實難題。

第一個難題是“食物”匱乏。產(chǎn)甲烷古菌生成甲烷需充足“原料”，若火星地下真有這類古菌，要維持火星大氣現(xiàn)有甲烷濃度，每年需消耗約260噸有機物，或等量的氫氣與二氧化碳。但目前人類在火星上，尚未發(fā)現(xiàn)如此規(guī)模的有機物。

另一個難題是“生存與運輸”的矛盾。即便火星地下200米處確實存在產(chǎn)甲烷古菌，其產(chǎn)生的甲烷要抵達大氣，也需耗費漫長時間。據(jù)估算，從地下200米擴散到火星表面，可能需要幾千年甚至上萬年。但“好奇”號觀測到的甲烷濃度呈季節(jié)性波動——夏季升高、冬季降低，周期約為2個地球年。若甲烷需幾千年才能到達地表，地表觀測到的濃度理應(yīng)保持穩(wěn)定，絕不可能出現(xiàn)如此顯著的季節(jié)變化。因此，要證實這一猜想，還需更多探測數(shù)據(jù)支撐。

源自地質(zhì)活動？

既然生物來源不太“靠譜”，科學(xué)家們把目光轉(zhuǎn)向了非生物因素——地質(zhì)活動產(chǎn)生的甲烷。在各種非生物來源里，最受關(guān)注的是一種叫“蛇紋石化反應(yīng)”的巖石化學(xué)反應(yīng)。

蛇紋石化反應(yīng)由橄欖石、輝石等富含鐵和鎂的硅酸鹽礦物參與，這些礦物在火星上特別常見。當(dāng)這些礦物和水接觸，就會發(fā)生一系列復(fù)雜反應(yīng)，形成蛇紋石，同時釋放出氫氣。在適宜條件下，釋放出來的氫氣還能與火星大氣里的二氧化碳繼續(xù)反應(yīng)，生成甲烷和水。

蛇紋石化反應(yīng)能產(chǎn)生甲烷，在地球上已經(jīng)得到證實?；鹦且泊嬖谏呒y石化反應(yīng)的條件。首先，火星表面存在玄武巖，其次，火星以前有過很多液態(tài)水。理論上講，在火星過去的“濕潤時期”，蛇紋石化反應(yīng)可能大規(guī)模發(fā)生，產(chǎn)生的甲烷一部分留在地下巖層，一部分進入大氣中。

但現(xiàn)在的火星環(huán)境，還能支持蛇紋石化反應(yīng)持續(xù)產(chǎn)甲烷嗎？

首先，火星表面沒有活躍的火山與熱泉活動。在地球上，蛇紋石化反應(yīng)要快速進行，常需高溫高壓環(huán)境（如火山熱量、海底高壓）。但火星火山活動約30億年前已基本停止，表面也無海洋，僅地下可能存在少量鹽水。這意味著，即便火星地下仍有蛇紋石化反應(yīng)，速度也會極慢，產(chǎn)生的甲烷或許難以補充大氣中分解掉的量。

其次，蛇紋石化反應(yīng)雖能解釋甲烷的持續(xù)存在，卻無法說明其濃度的季節(jié)性動態(tài)變化，難以單獨作為火星甲烷的主要來源。

源自“電化學(xué)效應(yīng)”？

當(dāng)生物源與傳統(tǒng)地質(zhì)源均無法解釋火星甲烷時，科學(xué)家開始探索更特殊的機制。近期，筆者所在研究團隊提出新猜想：火星塵暴中的“電化學(xué)效應(yīng)”，或為甲烷的重要來源。

研究團隊長期研究行星大氣與空間環(huán)境，在分析“火星快車”號、“好奇”號等探測器傳回的火星塵暴數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)這一關(guān)鍵關(guān)聯(lián)：火星大氣甲烷濃度峰值，常與塵暴發(fā)生的時間、范圍重合——火星出現(xiàn)大規(guī)模塵暴時，甲烷濃度便升高；塵暴結(jié)束后，濃度又逐漸下降。據(jù)此推測，塵暴或許不只是天氣現(xiàn)象，還可能參與甲烷的生成。

要弄明白這個機制，得先了解火星塵暴的特點?；鹦谴髿馓貏e稀薄，且表面沙塵易形成塵暴?；鹦菈m暴大小不一，小的只覆蓋一小塊區(qū)域；大的能席卷整個火星，持續(xù)數(shù)周甚至數(shù)月。塵暴發(fā)生時，大量沙塵顆粒在大氣中高速運動，相互摩擦產(chǎn)生靜電。火星沙塵以硅酸鹽礦物為主，本身易帶電；同時，火星大氣稀薄，缺乏足夠氣體分子中和電荷，使沙塵顆粒能積累大量靜電。當(dāng)電荷積累到一定程度，就會引發(fā)大氣放電——類似地球閃電，但規(guī)模更小、更頻繁，被稱為“靜電放電”。

通過實驗室模擬和理論分析，團隊發(fā)現(xiàn)火星沙塵顆粒在缺氧、低氣壓環(huán)境下發(fā)生靜電放電時，會引發(fā)一系列電化學(xué)反應(yīng)。這個反應(yīng)可以將大氣中的二氧化碳和含水礦物中的水結(jié)合在一起形成甲烷。

研究火星大氣中甲烷的來源，成為火星探測的核心問題之一。美國國家航空航天局（NASA）把“追蹤甲烷源頭”列為2030年火星任務(wù)的關(guān)鍵目標(biāo)；歐洲太空局（ESA）將在2028年發(fā)射“羅薩琳德?富蘭克林”漫游車去探尋；2031年，我國“天問三號”也極有可能帶回含有甲烷的大氣樣品。

解開火星大氣中甲烷的來源之謎，不僅關(guān)乎火星幾十億年的演化史，還可能徹底改變?nèi)祟悓Φ赝馍恼J(rèn)知?；鹦茄芯康奈磥恚屓似诖?！

（作者：武中臣，系山東大學(xué)空間科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師）