科學家在土衛二羽流中發現甲烷可能存在生命跡象

美國亞利桑那大學和法國巴黎科學與文學大學科學家團隊在一項新研究發現，在土衛二（Enceladus）冰冷的外殼下隱藏的海洋中，可能存在一種未知的甲烷產生過程。

土衛二噴發的巨大水柱長期以來一直讓科學家和公眾著迷，激發了對認為夾在土衛二岩石核心和冰殼之間的廣闊海洋的研究和猜測。卡西尼號（Cassini）太空船在飛過羽流（plumes）並對它們的化學成分進行採樣，檢測到與地球海洋底部的熱液噴口相關的某些分子濃度相對較高，特別是雙氫（dihydrogen）、甲烷和二氧化碳。在羽狀物中發現的甲烷量出乎意料之外特別高。

亞利桑那大學生態與進化生物學系副教授里吉斯·費利亞（Regis Ferriere）說：「我們想知道雙氫並產生甲烷的類地微生物能否解釋卡西尼號探測到的大量甲烷？在土衛二的海底尋找這種稱為產甲烷菌的微生物將需要極具挑戰性的深潛任務，而這些任務幾十年來都看不到。」

費利亞和他的團隊採用不同、更簡單的方法：他們建立數學模型來計算不同過程（包括生物產甲烷作用）可能解釋卡西尼號數據的概率。

費利亞應用結合地球化學和微生物生態學的新數學模型來分析卡西尼羽流數據，並對最能解釋觀測結果的可能過程建華立模型。他們得出結論，卡西尼號的數據有兩個可能，其一是與地球上微生物熱液噴口活動一致，另外是不涉及生命形式但與地球上已知發生的過程不同。

在地球上，當寒冷的海水滲入海底，循環通過下面的岩石並靠近熱源，然後通過熱液噴口再次噴入水中時，就會發生熱液活動。在地球上，甲烷可以通過熱液活動產生，但速度很慢。大部分產量是由於微生物利用水熱產生的雙氫的化學不平衡作為能源，並在稱為甲烷生成的過程中從二氧化碳中產生甲烷。

該團隊將土衛二的羽流成分視為內部發生的幾種化學和物理過程的最終結果。首先，研究人員評估那一種水熱產生的二氫最符合卡西尼號的觀察結果，以及這種產生是否可以提供足夠的食物來維持類地球的氫營養產甲烷菌種群。為此，他們開發了一種假設的氫營養產甲烷菌的種群動態模型，其熱和能量生態位是根據地球已知菌株建模的。

然後，作者運行該模型以查看一組給定的化學條件（例如熱液中的二氫濃度和溫度）是否會為這些微生物的生長提供合適的環境。他們還研究假設的微生物種群對其環境的影響，例如：羽流中二氫和甲烷的逃逸率。

費利亞解釋，我們不僅可以評估卡西尼號的觀測結果是否與適合生命居住的環境兼容，而且我們還可以對預期的觀測結果進行定量預測，如果甲烷生成實際上發生在土衛二的海底。

結果顯示，即使基於已知的熱液化學對非生物甲烷產量（或沒有生物援助的甲烷產量）的最高可能估計也遠遠不足以解釋羽流中測量的甲烷濃度。然而，在混合物中加入生物產甲烷作用可以產生足夠的甲烷來匹配卡西尼號的觀察結果。

費利亞說：「雖然我們並沒有得出結論，土衛二的海洋中存在生命，相反，我們想了解土衛二的熱液噴口適合類地微生物居住的可能性有多大。根據我們的模型，卡西尼號的數據告訴我們，土衛二的海洋中很可能存在生命。」

甲烷可能來自土衛二核心中可能存在的原始有機物質的化學分解，並且可以通過熱液過程部分轉化為二氫、甲烷和二氧化碳。費利亞說解釋，如果土衛二是由彗星提供的富含有機物質的吸積形成的，那麼這個假設是非常合理的。

【圖：美國太空總署；文：節譯自美國亞利桑那大學2021年7月7日新聞公佈】研究全文刊登在2021年6月7日出版的《自然-天文學》期刊