科学家在土卫二羽流中发现甲烷可能存在生命迹象

美国亚利桑那大学和法国巴黎科学与文学大学科学家团队在一项新研究发现，在土卫二（Enceladus）冰冷的外壳下隐藏的海洋中，可能存在一种未知的甲烷产生过程。

土卫二喷发的巨大水柱长期以来一直让科学家和公众着迷，激发了对认为夹在土卫二岩石核心和冰壳之间的广阔海洋的研究和猜测。 卡西尼号（Cassini）太空船在飞过羽流（plumes）并对它们的化学成分进行采样，检测到与地球海洋底部的热液喷口相关的某些分子浓度相对较高，特别是双氢（dihydrogen）、甲烷和二氧化碳。 在羽状物中发现的甲烷量出乎意料之外特别高。

亚利桑那大学生态与进化生物学系副教授里吉斯·费利亚（Regis Ferriere）说：「我们想知道双氢并产生甲烷的类地微生物能否解释卡西尼号探测到的大量甲烷？ 在土卫二的海底寻找这种称为产甲烷菌的微生物将需要极具挑战性的深潜任务，而这些任务几十年来都看不到。 」

费利亚和他的团队采用不同、更简单的方法：他们建立数学模型来计算不同过程（包括生物产甲烷作用）可能解释卡西尼号数据的概率。费利亚应用结合地球化学和微生物生态学的新数学模型来分析卡西尼羽流数据，并对最能解释观测结果的可能过程建华立
模型。 他们得出结论，卡西尼号的数据有两个可能，其一是与地球上微生物热液喷动一致，另外是不涉及生命形式但与地球上已知发生的过程不同。

在地球上，当寒冷的海水渗入海底，循环通过下面的岩石并靠近热源，然后通过热液喷口再次喷入水中时，就会发生热液活动。 在地球上，甲烷可以通过热液活动产生，但速度很慢。 大部分产量是由于微生物利用水热产生的双氢的化学不平衡作为能源，并在称为甲烷生成的过程中从二氧化碳中产生甲烷。

该团队将土卫二的羽流成分视为内部发生的几种化学和物理过程的最终结果。 首先，研究人员评估那一种水热产生的二氢最符合卡西尼号的观察结果，以及这种产生是否可以提供足够的食物来维持类地球的氢营养产甲烷菌种群。 为此，他们开发了一种假设的氢营养产甲烷菌的种群动态模型，其热和能量生态位是根据地球已知菌株建模的。

然后，作者运行该模型以查看一组给定的化学条件（例如热液中的二氢浓度和温度）是否会为这些微生物的生长提供合适的环境。他们还研究假设的微生物种群对其环境的影响，例如：羽流中二氢和甲烷的逃逸率。费利亚解释，我们不仅可以评估卡西尼号的观测结果是否与适合生命居住的环境兼容，而且我们还可以对预期的观测结果进行定量预测，如果甲烷生成实际上发生在土卫二的
海底。

结果显示，即使基于已知的热液化学对非生物甲烷产量（或没有生物援助的甲烷产量）的最高可能估计也远远不足以解释羽流中测量的甲烷浓度。 然而，在混合物中加入生物产甲烷作用可以产生足够的甲烷来匹配卡西尼号的观察结果。费利亚说：「虽然我们并没有得出结论，土卫二的海洋中存在生命，相反，我们想了解土卫二的热液喷口适合类地微生物居住的可能性有多大。 根据我们的模型，卡西尼号的数据告诉我们，土卫二的海洋中很可能存在生命。 」

甲烷可能来自土卫二核心中可能存在的原始有机物质的化学分解，并且可以通过热液过程部分转化为二氢、甲烷和二氧化碳。 费利亚说解释，如果土卫二是由彗星提供的富含有机物质的吸积形成的，那么这个假设是非常合理的。

【图：美国太空总署;文：节译自美国亚利桑那大学2021年7月7日新闻公布】研究全文刊登在2021年6月7日出版的《自然-天文学》期刊

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