| 【撰文／阿提耶(Sushil K. Atreya)；翻譯／邱淑慧】
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。
【本文轉載自科學人2007年6月號】
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人間的美在何處呢？或許在我們的四周中。風吹起了，雨落了，楓被吹落，何處是歸處呢？葉落地，沒有任何一處是葉的家，葉和風一樣在流浪，所以葉和風的悲傷憂愁存在不同的地方和空間中，無人會去理會.....
