互动科普

甲烷决定气候的时代

如今，产生甲烷的微生物仅仅生存在无氧环境中，例如牛的肠胃里，但在地球遥远的过去，它们却主宰着整个世界。

大约23亿年前，年轻的地球上出现一类罕见的微生物，它们崭新的生命活动形式使得大气中充满氧气。如果没有这些繁殖能力很强的称作蓝藻的生物，我们周围大多数所能见到的生命就永远不可能进化出来。

现在许多科学家认为，在蓝藻发挥作用之前久远的地质年代里，另一群单细胞微生物曾经使得我们这颗星球变得适合“居住”。按照这种观点，在地球诞生之后最初的20亿年里，厌氧的产甲烷微生物占据着绝对的统治地位，它们产生的甲烷所造成的温室效应对气候产生了深刻的影响。

从20多年前开始，科学家就想到甲烷可能具有重要角色，但仅仅在最近4年里，一个个地质历史上有关甲烷的故事片段才拼合到一起。计算机模拟显示，如果这种气体在目前的大气中大约存在10年的话，在无氧条件下则可以存在1万年。生活在那个年代里的产甲烷微生物没有留下化石，但是许多微生物学家相信，这些微生物是最初进化出的生命形式。在这些微生物的繁盛时期，它们产生的大量的甲烷防止了全球性的剧烈冰冻。科学家认为，那时的太阳比现在要昏暗，要让地球保持温暖，甲烷的温室效应可能恰到好处。然而，产甲烷微生物不能永远占据统治地位。伴随着这些微生物的逐渐衰亡，气温迅速下降，这能够解释地球上为什么会发生第一次（或许包括其他的）全球性冰期。

甲烷占据优势，即意味着包围地球的是略带粉红的橙色雾气，类似于土星最大的卫星土卫六的大气。尽管几乎可以肯定，土卫六的甲烷并非源自生物，但这颗卫星与早期地球的相似之处还是有助于人们揭示在地球遥远的过去，温室气体是如何调节气候的。

与太阳的昏暗抗争

大约在46亿年前地球形成时，太阳释放的能量只有如今的大约70%[参见《科学1988年6月“类地行星气候的演化”》。然而根据地质记录，并没有确凿的证据表明从那时到23亿年前有过大范围的冰川作用，这意味着和存在现代冰期循环的最近l0万年相比，那时的地球可能更温暖。可以认为，温室气体不仅补偿了太阳辐射的不足，而且还维持着高于今天地球平均温度值的温度。

科学家最初并没有想到用甲烷来解释那时年轻的地球是如何避免陷入冰天雪地的，因为氯的温室效应比甲烷更显著。康乃尔大学的Carl Sagan和George H.Mullen在1970年代初认为，氨是造成温室效应的原因。但是后来的研究发现，在无氧的大气中，氨会在太阳紫外线的作用下迅速分解，于是这样的解释难以成立。另一个容易让人想到的是二氧化碳，它是火山口喷发出气体的主要成分，当时含量丰富。尽管有关细节问题尚有争议，但科学家在20多年里一直假定是这种气体扮演着温室效应的主要角色。然而到1995年，哈佛大学的研究人员令人信服地证明那时的二氧化碳浓度非常低，并不足以维持地球的温暖。

Rob Rye领导的哈佛大学研究组根据已有的研究结果提出，当大气中的二氧化碳浓度超过目前大气中二氧化碳的浓度（380ppm）大约8倍时，由于铁离子在无氧条件下会与二氧化碳发生反应，土壤表层将形成菱铁矿（FeCO3）。但是研究人员对采自28亿至22亿年前的古老土壤样品进行研究后，发现其中并没有FeCO3的踪影，这说明那时二氧化碳的浓度肯定比维持地球表面不至于封冻所需要的浓度低得多。

在二氧化碳失去作为引起早期地球温室效应关键气体的主要角色前，科学家们就已经开始寻找其他替代解释了。1980年代末，科学家发现相同浓度的甲烷比二氧化碳捕获的热能更多，因为它吸收地球向外的辐射波长范围更广。不过早期的研究还是低估了甲烷的作用。我们宾夕法尼亚州立大学的研究组之所以看好甲烷，是因为我们知道，甲烷可能在古代的大气中曾经存在了非常长的时间。

在今天富含氧气的地球大气中，甲烷分子中的碳很容易以羟基和氧气结合，产生二氧化碳和一氧化碳以及水蒸汽。因此甲烷在大气中仅仅能留存10年左右，几乎起不到什么温室效应。事实上，甲烷在如今大气中的含量几乎微不足道，仅为大约1.7ppm；地球表面二氧化碳的含量为它的220倍，水蒸汽则是它的6000倍。

为了确定当时曾经使得地球表面保持温暖的甲烷浓度究竟有多高，我和学生与美国航空航天局艾姆斯研究中心的研究人员一起，共同模拟古气候。我们假定当时太阳的亮度是今天的80%（这是对28亿年前的估计值），如果大气中完全没有甲烷，要保持地球表面的温度高于冰点，需要二氧化碳的浓度达到吓人的20000ppm。这是如今大气中二氧化碳浓度的50倍，是对根据那时的土壤进行研究所揭示的二氧化碳实际浓度高限的7倍。如果按照当时二氧化碳的实际浓度高限来进行模拟计算，要维持地球表面的温度高于冰点，大气中则需要有1000ppm的甲烷。换句话说，甲烷应该占当时大气成分的0.1‰。

谁制造了甲烷？

早期大气中的甲烷要具有这么高的浓度，产生甲烷的速率要与目前相当才行。是原始的产甲烷微生物担当起这⋯职责的吗?我和同事与赖斯大学的微生物学家Janer L. Siefert合作，试图揭开这一奥秘。

生物学家有很多条理由认为当时确实曾经存在这么高浓度的甲烷。Siefert和其他一些科学家认为，一些最初进化出来的微生物可能就是产甲烷微生物。他们还认为，这些微生物占据着今天放氧生物和硫呼吸生物的生态位置，起着比它们在当今世界更显赫的生物学和气候角色。

产甲烷微生物可能是在火山喷发提供营养的环境中兴旺发展起来的。许多产甲烷微生物直接以氢气和二氧化碳为营养，并产生甲烷作为代谢废物；其他的则在无氧条件下消耗醋酸盐和有机物分解产生的物质。这也就是为什么今天的产甲烷微生物只能生活在无氧环境中，例如牛的肠胃里和灌水的稻田中。然而在早期的地球上，大气中几乎完全没有氧气，火山喷发释放出大量的氢气。由于缺少与之结合形成水的氧气，氢气便可以在大气和海洋中积累，其浓度足以维持产甲烷微生物所需。

基于这些（或更多）理由，一些科学家认为，以地质来源的氢为生的产甲烷微生物，可能构成了火星和冰层覆盖的木星卫星木卫二表面上微生物生态系统的基础。事实上，最近从欧洲空间局的火星快车号飞船传回的信息表明，现在火星大气中可能含有大约一亿分之一的甲烷，如果得到证实，这就意味着在火星表面下生活着产甲烷微生物。

地球化学家估计，在早期地球上，氢气的浓度曾达到数百至数千ppm。产甲烷微生物进化出来以后，就将其中的大部分氢气转化为甲烷。热力学计算揭示，如果其他必需的营养物质如磷、氮得以保障，产甲烷微生物能将大部分可利用的氢气转化成甲烷。（多数科学家同意，岩石的化学分解能提供足够的磷，生活于海洋中的多种微生物会产生充足的氮。）计算机模型分析表明，在这种情况下，产甲烷微生物能够维持大气中lO00ppm的甲烷浓度，从而保持了地球的温暖。

如今的产甲烷微生物喜欢闷热潮湿的气候，这也是产甲烷微生物在早期占统治地位的证据之一。大多数产甲烷微生物在40°C以上的温度下生长得最好，有些甚至喜欢85°C以上的温度。那些喜欢高温的生物生长迅速，于是温室效应增强，地球表面的温度升高;温度升高得越快，特化的嗜热生物就越能生存。当这些生物占产甲烷微生物的多数时，大气中积聚的甲烷分子更多，从而使得地球表面更暖和，事实上，即使那时的太阳比现在的昏暗，气候却比今天更热。

雾气拯救了世界

由于正反馈回路的作用，地球终于变成一个除了极端嗜热微生物以外所有生命都难以生存的桑那浴室。这时，正反馈回路就不能无限期地继续了。一旦大气中的甲烷比二氧化碳多，甲烷对阳光的反应便发生变化。它们不再被氧化成一氧化碳或二氧化碳，而是聚合或链接在一起，形成复杂的碳氢化合物，然后浓缩成微小的颗粒，形成有机物雾气。行星学家观察到在土卫六的大气中也存在类似的雾气，土卫六的大气主要含有分子态氮（N2），以及少量的甲烷[参见51页图示]。科学家希望，在美国航空航天局的卡西尼号空间探测器7月份飞抵土星后，人们能了解更多[参见《科学》2004年第8期“土星，我来了”]。

有机物雾气的形成为地球年轻的大气续写了新的篇章。因为这些雾气在高海拔处形成，微粒起到与温室气体相反的调节气候的作用。温室气体允许大多数可见太阳光透过，却吸收地球表面辐射出的红外线，因此使得地球表面变得温暖。相反，在高海拔处形成的有机物雾气，吸收射入的太阳光，并将阳光反射回宇宙空间，因此到达地球表面的太阳辐射减少。在土卫六上，这种被称作反温室效应的作用使得其表面温度降低7°C左右。古地球上相似的雾气层也使得气候变凉，这就使得产甲烷微生物中，那些生长缓慢、喜欢更凉爽气候的种群占了上风，因而限制了甲烷产量的进一步增加。这种负反馈回路使得地球温度趋于维持稳定，并使大气成分恰好处于有机物雾气层刚刚形成的那一点上。

没有什么可以永恒

由甲烷导致的雾气使地球保持着合适的温暖，但是这样的情况不会永远持续下去。在元古代，地球上至少有3次冰期，首先是在23亿年前，然后是7 .5亿年前，其次是6亿年前。为什么会出现这些冰期？人们久思不得其解，而甲烷假说则为之提供了有说服力的答案。

发生在23亿年前的冰期通常称作休伦冰期（Huronian glaciation）。人们对这次冰期的了解是基于对加拿大南部休伦湖北边的岩石进行的研究。就像研究得较充分的最晚一次的元古代冰期一样，休伦冰期似乎也是全球性的，因为一些靠近赤道的大陆那时也被冰所覆盖。

由杂乱的岩石和其他材料形成的这一寒潮层在冰川的推移作用下移走，又在约24.5亿至22亿年前冰层消融时沉积到地面上。冰川沉积物下面更古老的岩石则是品质铀矿和黄铁矿的碎石，这两种矿质被认为可证明大气中氧含量很低。冰川层之上是赤铁矿，这种矿质仅在大气中含氧丰富的条件下才会形成。（在机遇号火星探测器着陆点也发现了赤铁矿。因为颗粒较大，那里的赤铁矿是灰色的。）岩石类型分层分布的情况表明，休伦冰期是在大气中氧气含量刚刚开始上升的时候发生的 。

直到最近才能解释为什么会有这样的巧合。如果我们假设是甲烷保持了古气候的温暖，那么我们可以预期在23亿年前有一个冰期，因为氧气含量升高会自然引起这样的结果。许多厌氧产甲烷微生物和其他厌氧生物在氧气含量上升之前一直占据优势地位，在氧气含量升高时，要么它们在这样的“革命”中消亡了，要么就日益“隐退”到有限的生境里。

听起来，这似乎是甲烷故事的结局，不过这并不一定是事实。甲烷尽管再也没有在影响气候方面起到主要作用，但它在以后的元古代晚期依然发挥着重要影响。例如在地球因寒冷而被厚冰覆盖，海洋完全冰冻，地球像一个“雪球世界”的时候就是如此[参见2000年5月科学“雪球地球”]。

事实上，在元古代大多数时候，直到距今6亿年前，如果大气中的氧气浓度仍然较低，海洋深处氧气和硫酸盐（是现代海水中非常普通的一种盐分）仍然不足，甲烷的浓度可能仍然比现在的浓度高很多。甲烷从海洋释放到大气中的速率相当于今天的10倍，大气中的甲烷浓度可能达到100ppm之高。这样就能解释，为什么地球在元古代有15亿年之久没有被冰覆盖，尽管那时太阳仍然非常昏暗。我们推测，随着大气中的氧气和海水中溶解的硫酸盐浓度再一次上升，起增温效应的甲烷减少，从而引发了“雪球事件”。

宇宙中的甲烷

产甲烷微生物曾统治地球的结论应该是可靠的，缺乏直接的证据来支持这个理论也是事实。如果能找到含有古代空气气泡的岩石就可以提供可靠的证据，但这是不太可能的。我们能说的是有一些间接证据支持这个假说，比较著名的有：从对古土壤的研究推论出当时大气中二氧化碳含量很低，以及地球上第一次全球性冰期的时间。

尽管可能永远也无法在地球上证明这一假说，我们却可以通过对围绕恒星旋转的类地行星的观测来间接进行检验。美国航空航天局和欧洲空间局正在计划寻找离我们较近的 120颗恒星周围与地球大小相似的行星。如果存在这样的行星，美国航空航天局的类地行星发现者号和欧洲空间局的达尔文号飞船就能掠过这类行星的大气层，以发现其中是否含有能显示生命存在的气体。

如果发现氧气的丰富程度较可观，那就几乎能肯定这个行星具有和当代地球相似的生物学特征，也意味着这颗行星具有生命所必须的液态水。如果甲烷的含量高，也可能表明存在某些形式的生命。就像我们所知道的那样，在和地球表面温度相似的行星上，高浓度的甲烷只会来自生命。对于科学家来说，后一种发现 也许是科学家们更好地认识我们的地球在幼年历史时期究竟是怎样的一种最好的途径。

谭永平/译

赵庚新/校