pipe 2007-6-26 23:05
火星和泰坦上有生命嗎
甲烷可能暗示了生命的存在，也可能是異常地質活動的象徵；但無論如何，在火星與泰坦的大氣中偵測到甲烷，是太陽系最引人入勝的謎團。
太陽系裡的所有行星，除了地球之外，火星可說是公認最有孕育生命潛力的了，可能現在有生命存在，也可能是曾經有生命。火星有許多與地球相似的特性，例如：形成過程、早期氣候史、有水儲存，以及火山和其他地質活動等，這些可能正是微生物所需要的。而另一個經常被列入討論，認為可能有外星生物存在的，則是土星的最大衛星——泰坦（Titan，或稱「土衛六」）。剛生成的泰坦，曾經有利於生命前驅分子形成的環境，有些科學家相信泰坦上曾經有生命，甚至可能現在就正有生命存在著。
使這些可能性更引人關注的是，天文學家研究這兩個天體時，都偵測到一種經常伴隨生命出現、與生命息息相關的氣體——甲烷。火星上的甲烷量雖不多，但很顯著；而泰坦則幾乎為甲烷所覆蓋。甲烷來自生物的可能性，不亞於來自地質活動的可能性，就算在泰坦上不是，至少在火星上是如此。這兩種可能性以不同的方式解釋甲烷的出現，而且都相當合理，這顯示我們在宇宙中或許沒有那麼孤單，不然就是在火星與泰坦的地底下，都有大量的液態水，並且伴隨著出乎意料的地球化學活動。如果能夠了解這些天體上甲烷的來源與命運，將可以得到至關重要的線索，使我們得以更了解太陽系內甚至太陽系外那些類似地球的天體，包含其形塑過程、演化和生命存在的可能性。
在木星、土星、天王星與海王星這些巨行星上，甲烷的含量很高，這是原始太陽星雲經化學作用後的產物。不過在地球的大氣中，甲烷卻屬於特殊氣體，含量只有1750ppbv（1ppbv表示體積比率為10億分之一），其中有90~95%是來自生物。草食性的有蹄動物如牛、羊和犛牛等，排出的甲烷佔全球甲烷年排放量的1/5；這些氣體是來自牠們腸子裡細菌作用後的新陳代謝產物。其他重要的來源，包含了白蟻、稻田、沼澤以及天然氣（天然氣也是古代生命所形成），還有赤道雨林植物也會釋出甲烷（請參見2007年3月號〈植物、甲烷與全球暖化〉）。在地球上，火山作用所產生的甲烷佔總量不到0.2%，而且經由火山作用所排出的，甚至可能是古代有機體所產生的甲烷。相較之下，來自非生命作用的甲烷，例如工業過程所產生的，就不是那麼重要了。因此，一旦在其他類似地球的天體上偵測到甲烷，自然也就提高了該天體有生命存在的可能性。
大氣層中的角色
就在2003與2004年，有三個獨立的研究團隊宣佈在火星大氣中發現甲烷。美國航太總署（NASA）哥達德太空飛行中心的孟瑪（Michael Mumma）帶領研究團隊，利用位在夏威夷的紅外線望遠鏡與位在智利的雙子星天文台南座望遠鏡，以高解析度光譜儀偵測到火星上甲烷的濃度超過250ppbv，濃度隨著地點而不同，可能也會隨著時間而變。任職於羅馬物理與行星際科學研究所的佛米沙諾（Vittorio Formisano）與同事（包含我）分析了數千個蒐集自火星快遞軌道衛星的紅外線光譜，我們發現的甲烷含量低得多，約0~35ppbv。一般行星的平均值約接近10ppbv。後來，美國天主教大學的斯若波斯基（Vladimir Krasnopolsky）和同事利用加法夏望遠鏡（CFHT）測量到的行星平均值約為10ppbv，不過因為訊號與空間解析力不夠，他們無法測量到在行星上的變化情形。
孟瑪的研究團隊正在重新分析他們的資料，想找出為什麼數值會有這麼大的差距。以目前來說，我會把10ppbv的值當做是最有可能的，這樣的甲烷濃度（單位體積的分子數）相當於地球大氣中甲烷濃度的十萬分之四。不過，即使是這麼低的含量，也仍需要解釋。
雖然天文學家早在1944年就已經偵測到泰坦上的甲烷，不過這只是當時發現氮的附加發現，過了36年，氮的發現廣泛引起各界對這個寒冷且遙遠衛星的興趣。氮是胺基酸與核酸等生物分子的關鍵成份，所以大氣中含有氮和甲烷，加上地面氣壓是地球大氣壓力的1.5倍，可能正提供了生命前驅分子所需的要素，有些人推測，這裡甚至可能有生命形成。
要維持泰坦厚重且充滿氮的大氣，甲烷扮演著具控制性的中心角色。甲烷是碳氫化合物霾的來源，它吸收了太陽的紅外線輻射，並且使平流層增溫將近100℃，在對流層內，則是氫分子的碰撞使對流層升溫20℃。如果甲烷用盡，溫度會下降，氮氣就會凝結形成液態的雨，大氣也因而瓦解，泰坦的特性將會永久改變，它的煙霧和雲會消散。看似一直在雕刻著地表的甲烷雨會停止，湖泊、水坑與河流將會乾涸。而且，因為掀去了覆蓋的面紗，泰坦荒涼的地表將得以赤裸裸地呈現，在地球上可以用望遠鏡直接看清楚，那麼，泰坦將不再具有神秘感，並且成為有著薄薄大氣的一顆普通衛星。
火星和泰坦上的甲烷，是像地球一樣來自生命？抑或是有其他的解釋，例如火山、彗星與隕石的撞擊？我們把地球物理、化學與生物作用的相關知識應用在火星上，有助於縮小可能的來源範圍，而許多相同的論點應用在泰坦上也相當吻合。
陽光下的甲烷
要回答這樣的問題，第一個步驟必須得知甲烷產生或由某處逸出的速率，那麼，得先反過來測量大氣中甲烷減少的速率。在火星地表海拔60公里以上，太陽的紫外線輻射會分解甲烷分子，在較低層的大氣，則是水分子會因紫外線光子的照射而分解，形成氧原子和羥基（OH），而使甲烷氧化。在沒有補充的情況之下，甲烷會逐漸由大氣中消失。甲烷生命期的定義為，在原有的大氣中，甲烷濃度因凝結而降為原本的1/e倍（e為數學常數，約2.7182818284）或約1/3倍時所花費的時間，在火星上是300~600年。甲烷生命期會依水氣含量（隨季節改變）、太陽輻射強度（隨著火星公轉而週期性變化）而有所不同。在地球上，相似過程所造成的甲烷生命期約為10年。在泰坦上，太陽的紫外線輻射弱得多，而且含氧分子的數量也稀少許多，因此甲烷生命期可以長達1000萬~1億年（在地質時間尺度來講仍然算短）。
在火星上，甲烷的生命期夠長，風和擴散作用應該有充裕的時間可以使甲烷與大氣均勻混合才對，這麼一來，甲烷濃度隨著地點而改變的這個觀測結果，就很令人不解了。這表示甲烷氣體可能是來自某些局部地區，或是在某些地區會因土壤吸收而減少。容易和甲烷發生化學反應的土壤，可能就是儲存甲烷的地方，它們使甲烷的量加速減少。如果真有這樣額外的儲存機制在運作，那麼這就是讓甲烷量得以維持在觀測值的一個重要來源。
下一個步驟是要考慮形成甲烷的可能情形。先研究火星是個不錯的開始，因為這顆紅色行星上的甲烷含量很低，如果一個機制連這麼少的含量都無法解釋，就更別說要解釋泰坦上那麼大量的甲烷了。以生命期600年的情形來說，要使全球平均甲烷濃度維持在10ppbv的定值，每年所產生的甲烷必須略多於100公噸，這大約是地球上甲烷產生率的25萬分之一。
和地球上相同的是，火山可能不是最重要的因素。火星上的火山已經沉寂了數億年，而且，如果火山爆發噴發出甲烷，應該同時也會噴發出極大量的二氧化硫，但是火星的大氣中卻缺乏含硫化合物。外太空來的貢獻看來也相當微小，根據估計，每年約有2000公噸的微流星體塵埃來到火星表面，其中碳的質量佔不到1%，即使這些物質大多被氧化，也只會是甲烷不太重要的來源。彗星的整體質量中，甲烷佔約1%，但是平均每6000萬年彗星才撞擊火星一次，因此，每年彗星所遞送的甲烷量大約一噸，不到所需的1%。
那麼，會不會是最近有顆彗星撞上了火星？它帶來大量的甲烷，經過一段時間後，在大氣中的含量降低到了目前的數值。100年前一顆直徑200公尺的彗星撞擊，或是2000年前一顆直徑500公尺的彗星，都可以提供足夠的甲烷，以符合現在觀測到的平均含量10ppbv。但是此想法也遭遇問題：火星上甲烷的分佈不是均勻的。要使甲烷在各方向都均勻分佈，大約只需幾個月。因此，從彗星撞擊而來的甲烷最終應該會均勻分佈，這和觀測結果相矛盾。
水裡的煙霧
我們只剩下兩個可能的甲烷來源，分別屬於水文地球化學以及微生物學，兩個都很吸引人。地球上的熱液噴發，也就是所謂的黑煙囪，最早發現於1977年時厄瓜多的加拉巴戈斯裂谷。之後，海洋學家沿著許多其他的中洋脊也都有發現。實驗顯示，一般在這些噴孔的環境下，超鎂鐵質矽酸鹽（富含鎂或鐵的岩石，例如橄欖岩和輝石）在通稱為蛇紋岩化的過程中會反應產生氫。接著，氫會與碳粒、二氧化碳、一氧化碳或含碳礦物反應，產生甲烷。
這個過程的關鍵在於氫、碳、金屬（作用如同催化劑），以及熱和壓力，這些在火星上也全都有，這樣的蛇紋岩化作用可以分別發生在高溫（350~400℃）以及比較溫和的溫度下（30~90℃）。據推測，在火星的地下含水層裡，可能有那些較低溫下的作用在發生。
雖然低溫下的蛇紋岩化作用，可能足以產生火星上的甲烷，但是生物作用仍然有著不可忽視的可能性。在地球上有種稱為產甲烷菌（methanogen）的微生物，在消耗氫氣、二氧化碳或一氧化碳時，會產生副產物甲烷。如果火星上有這樣的生物生存著，它們會很容易獲得營養物：氫（藉由蛇紋岩化作用產生，或是由大氣滲入土壤中）以及二氧化碳與一氧化碳（在岩石中或是來自大氣）。
經由蛇紋岩化作用或是微生物作用所形成的甲烷，可以用晶籠狀水合物的方式儲存起來，這是一種化學結構，可以把甲烷囚禁起來，就像把動物關在籠子裡一樣。然後因為逐漸加熱而使氣體由裂縫散出，或是不定期的火山爆發將甲烷釋放到大氣中。不過，沒有人可以確定這些晶籠化合物的形成效率，也不確定它們多快會被釋放出來。
火星快遞衛星的觀測，顯示出有些區域的甲烷濃度很高，而且都是在地表下有著水冰存在的區域。要解釋這項關聯性，答案必定是地質或是生物過程其中一種。冰底下的含水層提供了生物的棲息地，或是提供水文地球化學過程得以發生的地點。在沒有更多資料的情況下，生物與地質這兩個來源的可能性看來是旗鼓相當。
甲烷形成的汪洋
由第一眼，你可能會覺得泰坦上的甲烷是很容易理解的：這顆衛星誕生自土星的次星雲，而土星的大氣中含有大量的甲烷氣體。然而根據資料顯示，泰坦上的甲烷是在泰坦上產生的，而不是吹送過來的。在NASA和歐洲太空總署（ESA）合作的卡西尼–惠更斯任務中，惠更斯探測器發現，泰坦的大氣中並沒有氙和氪。如果當初形成泰坦的微行星帶來了甲烷，那麼應該會同時帶來這些較重的惰性氣體，所以，缺乏這樣的氣體，表示甲烷很可能是在泰坦上形成的。
因此，泰坦上出現的甲烷，就和火星上的一樣神秘，在某些觀點上看來，甚至更為神秘，因為泰坦上的甲烷量很多（高達大氣體積的5%）。一個可能的來源是和火星上一樣，來自相對較低溫所發生的蛇紋岩化作用。法國南特大學的索廷（Christophe Sotin）和研究同仁曾經提出，在泰坦地底下可能一直有著液態水的海洋（參見32頁〈泰坦上的甲烷〉）。分解的氨就像防凍劑一樣，可使那片海洋不會結凍成固體。在他們的模型中，海洋在泰坦地表下100公里處，深約300~400公里。過去那些放射性元素的衰變以及泰坦形成後殘餘的熱，會使所有的冰幾乎都融化，因此海洋可能一路向下延伸，達到泰坦的岩石核心。
在這些狀況下，水和岩石的作用會釋放出氫氣，氫氣會與二氧化碳、一氧化碳、碳粒及其他含碳的物質反應，產生甲烷，我估計這樣的過程足以解釋泰坦上所觀測到的甲烷量。甲烷一旦形成，便可以儲存在穩定的晶籠水合物中，並且藉由火山作用的逐漸釋放，或是撞擊所引起的爆發，而進入大氣中。
還有個令人好奇的線索：在惠更斯探測器降落泰坦、通過其大氣層時，偵測到氬40氣體。氬40是鉀40放射性衰變後所產生，而鉀40位在泰坦核心深處的岩石內。鉀40的放射性半衰期長達13億年，因此大氣中的氬40含量很低，就是氣體緩慢來自泰坦內部的證據。此外，在泰坦表面的可見光和雷達影像中，有冰火山（如同間歇泉般噴發出氨水冰）存在的跡象，也表示有物質由內部向上湧出。地表看來相對年輕且沒有隕石坑，是物質由地底湧出而重新鋪設地表的跡象。據估計，由內部釋放甲烷的速率夠快，足以平衡因光化學反應而失去的甲烷量。泰坦上的甲烷所扮演的角色，就像地球上的水一樣，有著完整的循環過程：地表蓄積的液態，以及雲和雨。因此，具體的有力證據是存在的，甚至比火星上來得有力──儲存在內部的甲烷可以毫無困難的逃出地表，並且接著蒸發進入大氣中。
泰坦上有生命嗎？
生物作用對於產生泰坦上的甲烷也扮演重要的角色嗎？NASA艾密斯研究中心的馬凱（Christopher McKay）、法國斯特拉斯堡國際太空大學的史密斯（Heather Smith）、美國華盛頓州立大學的舒爾玆–梅庫克（Dirk Schulze-Makuch）以及丹佛自然與科學博物館的葛林思普（David Grinspoon）曾提出，即使是在泰坦那極度寒冷的表面（-179℃），乙炔和氫還是能夠提供產甲烷菌養份。在泰坦上，這種生命所需的過程是以液態的碳氫化合物做為介質，和地球上產甲烷菌所利用的不同，而且也不同於火星上它們那些不需要水的近親（如果有的話）。
然而這個理論有其缺失。惠更斯號的資料排除了乙炔來自地底的可能；乙炔最終必須來自大氣中的甲烷，如此一來，這論證陷入了循環：產生甲烷（來自微生物），需要甲烷。更有甚者，泰坦上的甲烷含量如此豐富，因此產甲烷菌必須拚了命地工作以產生甲烷，導致可獲得的營養鹽嚴重消耗。
有鑑於這些障礙，以生物學來解釋甲烷，應用在泰坦上並不如在火星上那麼具吸引力。然而，適合生命存在的各種可能仍然值得深究，有些科學家爭論，這衛星可能曾經或現在仍適合生命存在，它接收了足夠的陽光，將氮與甲烷轉變成為生物的前驅分子。地底下由氨水所形成的海洋，含有一些甲烷與其他的碳氫化合物，對於較複雜的分子或甚至具生命的有機體來說，都是合適的環境。在遙遠的過去，當年輕的泰坦還在逐漸冷卻的時候，地表上甚至可能有液態水在流動著。
碳同位素比率
有種艱難的測量，有利於判斷火星與泰坦上甲烷的起源，那就是量測碳同位素的比率。地球上的生命已經演化到偏重碳12，所需的鍵結能比碳13少。當胺基酸結合，形成的蛋白質明顯缺乏較重的同位素：地球上的有機生命體，碳12含量是碳13的92~97倍，而無機物質的標準比率則是89.4。
然而在泰坦上，惠更斯號探測器量測到甲烷中的比率是82.3，比地球上的無機標準值小。這個發現強烈反駁生命如我們所想的那樣存在。不過，還是有些科學家指出，可能是泰坦和地球上的生命演化過程不同，或是無機同位素比率不一樣。
目前還沒有人量測到火星上碳同位素的比率，這項測量面對的一大挑戰是氣體的濃度太低（泰坦上的10億分之一）。NASA的火星科學研究室（MSL）探測車，計畫在2010年抵達火星，屆時應該能夠精準量測到甲烷（也可以量測其他的有機物質）中的碳同位素。它也可以研究其他關於過去或現有生命的化學跡象，包含固態與氣態的樣本，例如甲烷相對於較重碳氫化合物（乙烷、丙烷與丁烷）的含量比率極高，也可以研究其對掌性（偏好左旋或右旋有機分子）。
與這些線索有著緊密關聯的問題是，為什麼生命似乎在火星地表上消失了？即使缺乏生命，過去45億年來，隕石和行星際塵埃粒子應該也會帶來有機物質。也許答案就在火星的土壤、風暴與尋常的跳躍中（風的吹動使塵埃顆粒跳動），這些過程產生了很強的穩定電場，觸發過氧化氫的化學合成。過氧化氫是有效的消毒劑，會快速的使地表貧瘠並且洗刷掉有機物質；而且它是強氧化劑，會局部加速大氣中甲烷的流失，因此需要更大的來源解釋在火星大氣中觀測到的含量。
簡單說來，關於泰坦在許多方面的神秘現象，甲烷提供了將它們拼湊在一起的線索。火星上的甲烷吸引人的程度也不亞於泰坦，因為它牽涉到在這行星上關於生命的景象。未來對於這兩個天體的探索，會朝著判斷它們是否曾經適合生命居住的目標而努力。雖然我們所知的生命會產生甲烷，但是甲烷的出現並不一定代表生命的存在。所以行星科學家必須徹底調查甲烷的來源、儲存場所和同位素成份，還有共存的其他有機分子，並且追蹤其氣體與固體樣本的組成。即使發現甲烷和生命沒有關聯，相關的研究仍會呈現出關於火星和泰坦的形成、氣候史、地質以及演化的一些最基本面向。
邱淑慧 中央大學地球科學系學士、天文研究所碩士，現任國中地球科學教師。
