誰在“偷偷”為火星製造甲烷？

從1960年蘇聯發射首個火星探測器，到美國“毅力”號火星車鑽孔取樣、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”，在其稀薄大氣中藏着讓科學家困惑的謎題——少量卻持續存在的甲烷。這種由1個碳原子與4個氫原子構成的簡單分子（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。那麼，火星的甲烷源於什麼？真的有“火星人”嗎？

甲烷是“可能存在生命的標誌”

對於人類而言，甲烷是一種極為常見的物質。由於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注。要弄清科學家為何執着於火星甲烷，需首先明確關鍵問題：甲烷為何會被視作“可能存在生命的標誌”？

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”。濕地裏的產甲烷古菌，能在無氧環境下將植物殘體、腐爛有機物中的碳和氫合成甲烷並釋放到大氣；牛、羊等動物胃內微生物分解纖維素時發酵產甲烷，隨呼吸或排氣排出；煤礦與天然氣田的甲烷，則由數千萬至數億年前動植物遺骸經掩埋和長期地質演變形成。

正因為甲烷與生命關聯密切，科學家形成共識：若某行星大氣存在穩定甲烷釋放，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，還存在特殊現象：濃度隨季節變化。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。消息引發科學界轟動，但也有人質疑：是探測器故障，還是地球大氣甲烷干擾了數據？為驗證這一發現，後續各國火星探測任務紛紛加入觀測。2012年，美國“好奇”號火星車在火星蓋爾隕石坑着陸，其搭載的“火星樣本分析設備”（SAM）可直接採集火星大氣樣本，通過可調諧激光光譜儀精準測量到了甲烷成分。經過數年觀測，“好奇”號不僅證實火星有甲烷，還發現了關鍵規律：火星大氣甲烷濃度呈季節性波動，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。這意味着，若火星沒有持續產生甲烷的“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”與濃度變化的規律性，指向一個結論：火星上必然存在持續產甲烷的源頭，且其“產量”會隨季節變化。這讓火星甲烷之謎更具吸引力——在環境惡劣的火星上，究竟是什麼能“季節性產甲烷”？

源自微生物的“呼吸”？

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

在地球極端環境中，確實有產甲烷古菌，其最突出的能力，是可以在完全無氧的環境中生存，還能用簡單物質合成甲烷。從理論上看，火星地下或許存在類似微生物。火星表面環境惡劣，白天最高温約20℃，夜間可降至-80℃以下；大氣稀薄，無法抵禦太陽紫外線和宇宙射線破壞生物DNA；行星表面乾燥、缺乏液態水，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、維持穩定温度，加之火星極地冰蓋與地下可能存在的鹽水層可提供液態水，這些都為微生物生存創造了條件。不過，這一猜想還面臨兩個現實難題。

第一個難題是“食物”匱乏。產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，尚未發現如此規模的有機物。

另一個難題是“生存與運輸”的矛盾。即便火星地下200米處確實存在產甲烷古菌，其產生的甲烷要抵達大氣，也需耗費漫長時間。據估算，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性波動——夏季升高、冬季降低，週期約為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保持穩定，絕不可能出現如此顯著的季節變化。因此，要證實這一猜想，還需更多探測數據支撐。

源自地質活動？

既然生物來源不太“靠譜”，科學家們把目光轉向了非生物因素——地質活動產生的甲烷。在各種非生物來源裏，最受關注的是一種叫“蛇紋石化反應”的岩石化學反應。

蛇紋石化反應由橄欖石、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。當這些礦物和水接觸，就會發生一系列複雜反應，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裏的二氧化碳繼續反應，生成甲烷和水。

蛇紋石化反應能產生甲烷，在地球上已經得到證實。火星也存在蛇紋石化反應的條件。首先，火星表面存在玄武岩，其次，火星以前有過很多液態水。理論上講，在火星過去的“濕潤時期”，蛇紋石化反應可能大規模發生，產生的甲烷一部分留在地下岩層，一部分進入大氣中。

但現在的火星環境，還能支持蛇紋石化反應持續產甲烷嗎？

首先，火星表面沒有活躍的火山與熱泉活動。在地球上，蛇紋石化反應要快速進行，常需高温高壓環境（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。這意味着，即便火星地下仍有蛇紋石化反應，速度也會極慢，產生的甲烷或許難以補充大氣中分解掉的量。

其次，蛇紋石化反應雖能解釋甲烷的持續存在，卻無法説明其濃度的季節性動態變化，難以單獨作為火星甲烷的主要來源。

源自“電化學效應”？

當生物源與傳統地質源均無法解釋火星甲烷時，科學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“電化學效應”，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境，在分析“火星快車”號、“好奇”號等探測器傳回的火星塵暴數據時，發現這一關鍵關聯：火星大氣甲烷濃度峯值，常與塵暴發生的時間、範圍重合——火星出現大規模塵暴時，甲烷濃度便升高；塵暴結束後，濃度又逐漸下降。據此推測，塵暴或許不只是天氣現象，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。火星大氣特別稀薄，且表面沙塵易形成塵暴。火星塵暴大小不一，小的只覆蓋一小塊區域；大的能席捲整個火星，持續數週甚至數月。塵暴發生時，大量沙塵顆粒在大氣中高速運動，相互摩擦產生靜電。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。當電荷積累到一定程度，就會引發大氣放電——類似地球閃電，但規模更小、更頻繁，被稱為“靜電放電”。

通過實驗室模擬和理論分析，團隊發現火星沙塵顆粒在缺氧、低氣壓環境下發生靜電放電時，會引發一系列電化學反應。這個反應可以將大氣中的二氧化碳和含水礦物中的水結合在一起形成甲烷。

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年火星任務的關鍵目標；歐洲太空局（ESA）將在2028年發射“羅薩琳德・富蘭克林”漫遊車去探尋；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，不僅關乎火星幾十億年的演化史，還可能徹底改變人類對地外生命的認知。火星研究的未來，讓人期待！

（作者：武中臣，系山東大學空間科學與技術學院教授、博士生導師）