火星上可能存在着一个生物甲烷循环过程
北京时间1月19日消息，据美国宇航局太空网报道，自从天文学家几年前在火星大气中发现甲烷以来，他们一直希望查明这些气体是不是由生命产生的。现在研究人员正在研发一种新探测器，可以根据火星甲烷的重量，追踪它的源头。
发现的第一种有机化合物
甲烷是在火星上发现的第一种有机化合物，这项发现可能蕴含着多层含义。美国科学家在1月15日宣布了一项新的分析数据，他们再次推测甲烷可能预示着火星上存在生物活动。美国普林斯顿大学的图里斯·昂斯托特(Tullis Onstott)说：“因为地球上的大部分甲烷都是由生物产生的。”
产烷生物在新陈代谢过程中产生了这种温室气体。虽然可能类似的生物体生活在火星土壤中，但是火星甲烷也可能是通过地质过程产生的，并不需要生命。昂斯托特和他的同事们正在为将来的一项火星车任务制造光学仪器，这项任务将会解决火星甲烷之谜。这个项目是天体生物学和技术手段研发及任务概念研究(ASTID)的一部分。
2003年，科学家利用地球上的望远镜发现火星甲烷，后来通过欧洲航天局的“火星快车”飞船得到证实。虽然火星甲烷的数量非常少，与地球上每十亿份空气就有1800份甲烷相比，火星上每十亿份空气中仅有10份甲烷，但是火星上的甲烷显然都集中在赤道附近。因为这些甲烷“云团”仅需一年时间就会散开，因此，火星上的甲烷来源一定非常集中，而且是源源不断产生甲烷气体。昂斯托特说：“要使甲烷在火星上呈现出来，就必须不断产生甲烷。”据昂斯托特估计，这个局部地区产生的甲烷的数量，跟地球上的南极永冻层产生的甲烷数量一样，南极永冻层是地球上的4大温室气体来源之一。
生命喜欢更轻的同位素
火星上的什么东西会产生这么多甲烷呢？虽然产生甲烷的途径多种多样，但是最后的答案是生物体或者非生物来源。非生物甲烷是在地下的高温高压环境下产生的。虽然地质过程可以产生甲烷，但是氢气和二氧化碳等一些带碳分子的物质发生反应，也会形成甲烷。
甲烷可以直接通过火山或者裂缝进入大气。或者它暂时被像冰一样的物质封锁起来，等到温暖季节，就会慢慢从这些物质中逃逸出来。其中的主要选项是，火星产烷生物利用这颗行星上的氢和二氧化碳等分子成分，在酶的帮助下生成甲烷。昂斯托特说：“酶在更低的温度下，可以发挥跟在地球上一样的功能，产生更多甲烷。”现在，火星上通过生物途径生成甲烷的过程可能仍在进行。或者它在很久以前已经结束，我们看到的甲烷，可能都是以前被储存起来的。
有一种方法可以不通过从土壤中寻找生命迹象，来确定火星甲烷的来源。这种方法涉及到所有甲烷并不是通过一种方法产生的事实。甲烷的构成成分以不同的形式存在，这种形式被称作同位素，不同同位素的质量是不一样的。地球化学并不太挑剔，它会利用任何一种同位素生成甲烷。然而生命喜欢消耗更轻的同位素。昂斯托特说：“与较轻的化合物发生反应时，酶促过程会更快。”至于产烷生物，它们将选择带氢和碳12的分子。这样，生物甲烷将比非生物甲烷更轻。然而令人感到沮丧的是，火星上可能还存在吃甲烷的生物体。这些所谓的嗜甲烷菌(methanotroph)对质量较轻的甲烷比较偏爱，因此它们可能在不断清除掉产烷生物活动留下的迹象。然而昂斯托特认为，甲烷同位素丰度的变化，可能标志着火星上存在一个生物甲烷循环过程。
如何发现生物甲烷
昂斯托特表示，通常情况下，有两种方法可以发现甲烷同位素丰度。第一种方法要用到质量分光计，这种分光计可以利用电磁场，把不同的同位素分开。虽然这在实验室里很容易实现，但是灵敏度高到足以发现火星甲烷的生物迹象的分光计可能会太大，火星车根本携带不了。另一种选择是利用光学分光计，这种分光计可以测量一种气体吸收光的频率。那些产生共振频率的同位素，是由气体中较轻的分子构成的。
目前，火星科学实验室预定在2011年发射升空，届时它将携带一个光学分光计。这个装置或许可以测量火星甲烷的碳同位素比，但是昂斯托特认为它将无法明确说出火星甲烷是不是由生物产生的。因为这个原因，他和他的同事们目前正在设计一种特殊的光学分光计，这种分光计被称作腔衰荡分光计(Cavity Ringdown spectrometer)，这种分光计的灵敏度，将比火星科学实验室要携带的分光计的灵敏度高1000倍。
腔衰荡分光计(CRDS)通过利用激光照亮大气样本产生作用，这种激光的频率可以与一种特殊的同位素结构的甲烷分子的共振保持一致。空腔的局部壁具有反射能力，因此进入的光线很难逃逸出来。一旦激光被关闭，进入的光线将在空腔里来来回回继续反射数微秒，然后消失。昂斯托特表示，光线消失所用的时间，是衡量空腔里的目标分子的数量的一个标准。通过这种方法，腔衰荡分光计可以确定火星甲烷的不同同位素丰度比。因为这些光在消失以前会从空腔里的气体中来回穿数千次，因此，腔衰荡分光计可以比平常的光学分光计更加出色地测量甲烷浓度。
虽然腔衰荡分光计是一项趋于成熟的技术，但是昂斯托特和他的科研组需要研发一种灵敏度非常高的便携式装置。他们已经制成一个70磅的试验样机，这种分光计的质量大约是普通分光计的质量的五分之一。他们现在的目标是制造一个更小、更加适合执行太空任务的仪器，这些任务是指火星科学实验室之后要进行的下一轮火星车任务等。昂斯托特说：“我们计划对分光计进行改进，以便它可以在火星上正常运行。众所周知，火星上的压强更低，而且还有大量尘埃。”
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