PNAS：大气甲烷作为系外行星生命信号的环境约束条件

生命可能会以多种方式改变行星环境，包括产生改变行星大气成分的生物废气。系外行星科学下一阶段将专注于探明包括宜居行星在内的系外行星大气的特征。詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）能够描述围绕低质量恒星的地外行星的大气特征，如TRAPPIST-1系统。一种新型的地面望远镜可能能够通过高分辨率光谱学技术探测附近岩石系外行星上的大气成分，如氧气、水和二氧化碳。未来Astro2020十年调查计划将建设一个大型红外-可见光-紫外望远镜去在约25个宜居带内的行星上寻找生命信号。

如果类地行星要维持相对较高的甲烷丰度，需要有非常显著的表面甲烷生产通量。在地球上，是生命过程维持着大量的表面甲烷通量，因此甲烷长期以来一直被认为是类地系外行星上可能的生物特征气体。相比于探测难度较高的氧气、磷化氢、异戊二烯和氨等其他生物特征气体，甲烷是为数不多的可以被JWST明确检测到的潜在生源物质之一。

然而，由于甲烷在行星环境中普遍存在，且非生物过程同样可以生产甲烷，因此大气甲烷不是一类确凿无疑的生命信号。显然，需要进一步的工作来了解生源甲烷的化学特征及不同行星环境中甲烷假阳性信号的特点。基于上述背景，美国加州大学圣克鲁兹分校的Thompson et al.（2022）等学者利用光化学反应模型对系外行星大气甲烷观测和区分非生物成因甲烷的重要性进行了探讨。

甲烷之所以被认为是一种潜在的生命信号，是因为它在围绕类太阳恒星公转的宜居带岩质行星上具有较短的光化学寿命（小于~ 1 My），短暂的光化学生命周期使得行星需要相对大量的甲烷补充渠道来维持其大气丰度。利用光化学模型，Thompson et al.（2022）探讨了类地系外行星大气中甲烷的稳定性。他们发现，围绕不同主恒星类型公转的行星有不同的生源甲烷含量阈值，如果大气中甲烷的混合比超过这个阈值，想要在光化学作用下保持稳定，就需要有一个超过当前地球生源甲烷通量的产甲烷途径存在，也就很可能指示着活跃的生命产气过程的存在。Thompson et al.（2022）还强调，如果含有甲烷的系外行星大气中伴随着强氧化性伴生气体（如二氧化碳、氧气或臭氧），则会加强甲烷生命信号的可靠性。这是因为，如果含有强氧化性气体的类地行星大气达到了化学平衡态，那么热力学上稳定的碳形态就不会是还原性的甲烷，需要更多的补给途径来生产甲烷以维持甲烷在氧化性大气中的丰度，而该途径很可能是生物成因的。

此外，大气中没有较高含量的一氧化碳也会加强甲烷的生物成因，因为（1）微生物生命活动很容易消耗一氧化碳这类较易代谢的免费能量源；（2）且一氧化碳是许多释放甲烷的非生物过程的副产物。模拟发现无生命大气的CO/CH4比值要比存在厌氧生物的大气CO/CH4高出约两个数量级（图1），因此CO/CH4比值或许可以作为一种判别指标。

图1 大气中CO/CH4比值有助于区分生物甲烷和非生物甲烷。纵坐标为无生命世界和生物圈中大气CO与CH4的比值，横坐标是火山活动H2通量（Thompson et al., 2022）

虽然地球大气中绝大多数甲烷是生物产生的，但其他小规模的非生物来源的甲烷可能在其他星球上得到增强。厘清非生物甲烷的产生机制对于避免错误解释探测结果有重要意义。甲烷的非生物来源可大致分为以下几类（图2）：（1）火山作用和高温岩浆作用，（2）低温水岩反应和变质作用，（3）撞击事件。整体来说，地球上非生物作用产生的甲烷要比生物产生的甲烷低至少一个数量级（图3）。

图2 地球上已知的非生物甲烷来源的总结图。总的来说，甲烷的非生物来源可分为高温岩浆释气（火山作用）、低温水-岩与变质反应、撞击三类（Thompson et al., 2022）

图3 地球当前生物甲烷通量与已知非生物甲烷全球通量的总结图（Thompson et al., 2022）

在太阳系中，除了地球，甲烷还存在于外行星的大气层和彗星中。该研究重点讨论了火星和类土卫六系外行星的甲烷来源。关于火星上的甲烷还存在争议，欧洲航天局的火星快车号、美国宇航局的好奇号探测器和多台地基望远镜观测到了随时间、空间和高度变化的10-60 ppb大气甲烷。然而，更高精度（~20 ppt甲烷检出限）的ExoMars微量气体轨道器却没有检测到明显的甲烷信号。但无论如何，ppb级的甲烷探测值也已远低于该研究中所考虑的生物成因甲烷的阈值，一些关于火星甲烷的非生物解释包括水-岩石反应、包合物释放和有机质降解等。

在富惰性气体氮的土卫六大气中，甲烷丰度约为1-5%。光化学模型显示如果没有甲烷的供应源，土卫六上的甲烷将会在3000万年后消失，目前可能的供应源为土卫六地壳中的甲烷包合物、地下液态碳氢化合物、地下海洋以及内部释气等（H？rst, 2017）。虽然生物过程也可能作为其中一个解释，但由于土卫六表面不存在传统意义上的宜居环境，所以学术界仍然倾向于用地球化学过程来解释。无论土卫六上甲烷的成因为何，处于宜居带的类土卫六系外行星上如果同时存在大量还原性的甲烷和氧化性的二氧化碳，则很有可能是真实的生命信号。根据行星上水质量分数的不同，甲烷的寿命可能短于1000万年（约为宜居带分离的时间），也可能长达1亿年（图4）。即使是1亿年的光化学寿命，也远短于一般恒星的年龄。因此，甲烷的寿命可以通过行星密度反映的水含量推测出来，从而推断其作为生命信号的可能性。

图4 类土卫六系外行星产生的非生源甲烷仅有较短的光化学寿命（Thompson et al., 2022）

任何以观测方式识别甲烷生物特征的任务都必须考虑更广泛的行星和天体物理学背景，并取决于现有仪器的检测能力。甲烷生命信号确认步骤主要包括：（1）在系外恒星的宜居带内探测类地行星，并描述其体积特性（如质量、半径、轨道特性）；（2）测定其大气成分（即CH4、CO2、CO、H2O、H2的丰度），确定大气是否为氧化环境；（3）鉴别可能的假阳性信号，确定甲烷的非生物来源或生物来源的可能性。

在不久的将来，利用JWST探测类地系外行星大气中甲烷信号将为地外生命探测增添更加丰富的数据，但对于系外行星环境的分析进而排除假阳性信号依然存在一定的困难，例如JWST对于一氧化碳的测量信号是比较粗糙的。然而，地基极大望远镜（ELT）的高清光谱设备可以辅助对于系外行星大气成分的测量（Mikal-Evans, 2022），从而使得科学家能够更好地对系外行星大气的CO/CH4等参数进行约束。

主要参考文献

Thompson, M.A., Krissansen-Totton, J., Wogan, N., Telus, M. and Fortney, J.J. (2022) The case and context for atmospheric methane as an exoplanet biosignature[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119, e2117933119. （原文链接）

H？rst, S.M. (2017) Titan's atmosphere and climate[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 122, 432-482.

Huang, J., Seager, S., Petkowski, J.J., Ranjan, S. and Zhan, Z. (2022) Assessment of Ammonia as a Biosignature Gas in Exoplanet Atmospheres[J]. Astrobiology, 22, 171-191.

Krissansen-Totton, J., Olson, S. and Catling, D.C. (2018) Disequilibrium biosignatures over Earth history and implications for detecting exoplanet life[J]. Science Advances, 4, eaao5747.

Mikal-Evans, T. (2022) Detecting the proposed CH4–CO2 biosignature pair with the James Webb Space Telescope: TRAPPIST-1e and the effect of cloud/haze[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 510, 980-991.

Pavlov, A.A., Brown, L.L. and Kasting, J.F. (2001) UV shielding of NH3 and O2 by organic hazes in the Archean atmosphere[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 106, 23267-23287.

Prinn, R.G., Huang, J., Weiss, R.F., Cunnold, D.M., Fraser, P.J., Simmonds, P.G., McCulloch, A., Harth, C., Salameh, P., O'Doherty, S., Wang, R.H., Porter, L. and Miller, B.R. (2001) Evidence for substantial variations of atmospheric hydroxyl radicals in the past two decades[J]. Science, 292, 1882-1888.

Segura, A., Kasting, J.F., Meadows, V., Cohen, M., Scalo, J., Crisp, D., Butler, R.A. and Tinetti, G. (2005) Biosignatures from Earth-like planets around M dwarfs[J]. Astrobiology, 5, 706-725.

                                                                                                                                                 （撰稿：申建勋，黄童童，林巍/地星室）

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