我如果你想探测另一颗行星上的生命，那就寻找生物标记——化学物质的光谱特征，揭示生物的活动。事实上，我们可能已经发现了一种生物标志物。2003年，地球上的天文学家瞥见了火星大气中的甲烷。这个发现最初是有争议的，以至于发现者自己都没有发表它。但我们俩和我们的同事最近通过美国宇航局的好奇号探测器证实了甲烷的存在。这是我们收集到的最确凿的证据，表明我们在宇宙中可能不是孤独的。
无论甲烷来自哪里，这都是一个有趣的发现。如果你把一个甲烷分子扔到火星的大气中，它可以存活大约300年——这是太阳紫外线辐射和其他火星气体破坏这个分子所需的平均时间。按理说，火星大气中的甲烷早在亿万年前就应该被清除掉了。所以，我们看到的甲烷要么来自今天产生甲烷的地方，要么来自过去某个时候释放甲烷的地下储层。在地球上，95%的甲烷来源于生物。被称为产甲烷菌的这类细菌以有机物为食，并排泄甲烷。它们生活在我们星球的湿地上，这些湿地占全球大气中甲烷含量的近四分之一。奶牛的肠道细菌是第二大生产者。微生物生命存在的可能性推动了火星上甲烷的探索。
但是，即使那里的甲烷来自地质作用，它也会让我们对这个表面上看起来像地质死亡的世界有一个深刻的新认识。甲烷可以通过蛇纹岩化的地球化学过程产生。蛇纹岩化广泛存在于地壳中，特别是在被称为“失落之城”和“黑吸烟者”的海底热液喷口。这个过程需要地质热源和液态水。这也是生命的两大主要成分。
火星确实是活跃的，有可能孕育过去或现在的微生物生命。
T他的神秘之处不仅仅是我们在不应该看到甲烷的时候看到了甲烷。从某种意义上说，我们看到的太多了。火星上甲烷的丰度在位置和时间上有很大的差异，这意味着不仅有未知的来源，还有未知的汇。2003年，美国宇航局天文学家迈克尔·穆马（Michael Mumma）在行星科学部的一次会议上报告说，夏威夷和智利的望远镜首次探测到了这种变化。第二年，罗马行星际空间物理研究所的维托里奥·福米萨诺（Vittorio Formisano）和他的团队（包括我们中的一员阿特雷亚）公布了欧洲航天局火星快车轨道飞行器的发现。与木乃伊一样，福米萨诺的团队也观察到甲烷丰度的变化，尽管从火星快车上测得的值要低得多，约为全球平均体积的十亿分之十五（ppbv）。相比之下，地球上的甲烷丰度为1875 ppbv。（气体浓度通常通过气体所占的体积而不是其质量来测量。）
这两组观测都是在火星大气层反射太阳光中寻找甲烷的红外光谱指纹。地面望远镜观测的是地球自身的空气，其中也含有甲烷，因此分析必须分离火星和陆地的甲烷信号。虽然轨道数据没有受到这个问题的影响，但它们有自己的混淆因素，例如在同一区域存在其他气体的谱线重叠。两个小组都非常谨慎，但他们的观察结果至今仍有争议。
为了解决这个问题，美国国家航空航天局在2004年决定在火星科学实验室任务(随探测器“好奇号”)上投入一台仪器来研究甲烷问题。火星样品分析(SAM)仪器包由NASA的保罗·马哈菲(Paul Mahaffy)领导的团队建造和操作，其中包括一个可调谐激光光谱仪(TLS)。TLS在已知温度和压力、定义明确的大气体积内进行甲烷的原位测量。该仪器首先将火星上的空气吸入一个咖啡杯大小的细胞中。然后它向气体发射红外激光，看看有多少光被吸收。激光通过波长扫描寻找甲烷和其他气体的独特指纹。TLS本身可以测量到大约2 ppbv的甲烷。为了达到更高的灵敏度，SAM将吸入的气体在一种化合物上缓慢流动，这种化合物会过滤掉主要的二氧化碳气体，从而丰富甲烷信号，并将测量不确定度降低到大约0.1 ppbv。在地球上，TLS技术自20世纪80年代开始使用，并首次在空气中测量臭氧空洞中的氯储藏库、卷云中的氘氢比，以及在许多地点测量甲烷。
这个仪器确实有一个潜在的误差源。在发射前几周，在发射场进行组装测试和发射操作时，航天器及其仪器暴露在地球空气中是很正常的。在我们的例子中，光学室(激光束在进入样品室之前通过的地方)前的仪器吸收了少量含有地球甲烷的佛罗里达空气。为了补偿这种污染，我们在火星上每次测量三次。首先，我们抽走火星上所有的空气，使样品室成为真空;那样的话，我们只能测到佛罗里达偷渡者的甲烷。然后，我们让火星的空气进来，再次测量。最后，我们再次清空样品室并再次测量。用这种方法，我们可以分离和减去地球上的污染物。此外，在它在火星上的这些年里，我们没有看到前光学室泄漏的迹象。 Because the effect of the contaminants remains constant, they cannot account for any variation we observe.
O2012年8月，“好奇号”火星车在火星盖尔陨石坑着陆时，你们的仪器就开始了工作。在火星表面的三年时间里，TLS-SAM观测到的背景值通常很低(约0.5 ppbv)。背景水平随火星季节的变化而变化，这是首次有火星甲烷测量显示出可重复性。这种背景下的甲烷可能起源于彗星和周期性撞击火星的陨石。或者，它可能来自于飞落到火星表面的星际尘埃颗粒，携带着有机物质，在太阳的紫外线辐射下，这些物质会分解成甲烷。季节性的模式似乎与到达火星表面的紫外线通量有关，并将告诉我们很多关于有机物质运送到火星表面的信息。
令人惊讶的是，在一个单独的两个月期间，四个连续的观察报告了7 ppbv的峰值。这些数值太高了，无法用彗星、陨石或尘埃来解释。它们一定起源于火星——也许是着陆点北部一个相对较小且局部的地下源头的打嗝。火星上的风会在几个月内把甲烷吹走，这就解释了为什么信号消失了。或者，这种脉冲可能来自一个遥远且更大的源，这就需要一些其他未知的机制来快速清除甲烷。就像早些时候观察到的羽状物一样，“好奇号”看到的这些尖状物仍然是探索神秘火星的诱人线索。
甲烷数据表明，火星确实是活跃的，过去或现在都有可能存在微生物。但仍有许多谜题，要证明我们看到的任何潜在生物标志物总是需要细致的后续工作。欧洲航天局的ExoMars微量气体轨道器(ExoMars Trace Gas Orbiter，简称ExoMars)于上月抵达火星，它配备了强大的仪器来检测甲烷，可以直接向下观察，也可以在太阳背光照射下观察火星边缘。这两种方法可以测量丰度随海拔高度的变化以及分布在整个星球上的情况。随着“好奇号”继续进行其近地表测量，从上面俯瞰太阳系外的火星，我们将能够回答这个问题:探测车的测量在多大程度上代表了整个行星?然后我们就可以开始了解我们是否与火星上的微生物共享太阳系了。
Sushil K. Atreya是密歇根大学安娜堡分校的教授，也是加利福尼亚帕萨迪纳喷气推进实验室的杰出访问科学家。作为行星大气起源和演化方面的专家，他曾参与过旅行者号、伽利略号、卡西尼-惠更斯号、金星快车、火星快车、火星科学实验室和朱诺号任务。
克里斯托弗·r·韦伯斯特(Christopher R. Webster)是加州帕萨迪纳市喷气推进实验室微设备实验室的主任。他率先开发了用于气球、飞机和宇宙飞船的可调谐激光光谱仪。他领导了500多架飞机和20个高空气球的地球研究任务，为“好奇号”火星探测器选择了他的光谱仪。
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