亚利桑那大学和巴黎科学与文学大学的科学家在《自然天文学》上发表的一项新研究表明，在土星卫星土卫二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，激发了对被认为夹在月球岩石核心和冰壳之间的广阔海洋的研究和猜测。卡西尼号航天器飞过羽流并对其化学成分进行采样，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，特别是二氢、甲烷和二氧化碳。在羽状物中发现的甲烷量特别出乎意料。
“我们想知道：‘吃’二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?”亚利桑那大学生态与进化生物学系副教授 Regis Ferriere 说，他是该研究的两位主要作者之一。“在土卫二的海底寻找这种被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。”
Ferriere 和他的团队采用了不同的、更简单的方法：他们构建了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。
作者应用了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进行建模。他们得出结论，卡西尼号的数据要么与微生物热液喷口活动一致，要么与不涉及生命形式但与地球上已知发生的过程不同的过程一致。
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(如岩浆房)，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月球内部发生的几种化学和物理过程的最终结果。首先，研究人员评估了哪种热液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，他们开发了一个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。他们还研究了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。
“总而言之，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，而且如果甲烷生成实际上发生在土卫二的海底，我们还可以对预期的观测结果进行定量预测，”Ferriere 解释说。
结果表明，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)进行最高可能的估计也远不足以解释羽流中测量到的甲烷浓度。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。
“显然，我们并没有得出结论，土卫二的海洋中存在生命，”费里埃说。“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。很可能，根据我们的模型，卡西尼号的数据告诉我们。
“而且生物产甲烷似乎与数据兼容。换言之，我们不能将‘生命假说’视为极不可能丢弃。要拒绝生命假说，我们需要更多来自未来任务的数据，”他补充道。
作者希望他们的论文为旨在更好地理解卡西尼号观测结果的研究提供指导，并鼓励研究阐明可能产生足够甲烷来解释数据的非生物过程。
例如，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。Ferriere 解释说，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。
“这部分归结为我们相信不同假设开始的可能性有多大，”他说。“例如，如果我们认为土卫二存在生命的可能性极低，那么这种替代的非生物机制就变得更有可能，即使它们与我们在地球上所知道的相比非常陌生。”
根据作者的说法，该论文的一个非常有希望的进步在于它的方法论，因为它不限于特定系统，例如冰冷卫星的内部海洋，并且为处理来自太阳系外行星的化学数据铺平了道路，因为它们变成在未来几十年可用。
完整的作者名单和资助信息可以在 7 月 7 日出版的《自然天文学》上的论文“土卫二羽流数据的贝叶斯分析以评估甲烷生成”中找到。
