观察土卫六上产甲烷生物需要什么样的遥感?

Question

灵感来自克里斯·麦凯土卫六表面液态甲烷中产甲烷生命的可能性．在论文中，PI发现消耗的乙炔、乙烷和其他有机固体可以产生足够细菌生存的能量。他们假设，因为卡西尼-惠更斯探测器检测到土卫六表面乙炔、乙烷和氢的消耗，这些活细菌可以可能是造成这种异常的原因。

显然，这篇论文中有一些幻想，但它仍然很有趣。

我的问题是，一个科学家怎么能证伪这个假设呢?寻找哪些生物标记物是有用的?什么样的传感器可以追踪这些生物标记?

Answer 1

_{注:我在写完大部分答案后发现，这个问题在空间堆栈交换密切江南电子竞技平台相关，和called2voyage的回答在讨论你引用的论文时，使用了一些和我一样的早期观点。}

值得注意的是，麦凯和史密斯的研究结果是纯理论的，他们的论文最初是在2012年的同一天被《华尔街日报》收到的惠更斯2005年1月14日，着陆器抵达泰坦。这篇论文在4月份进行了修订，但在那之前，来自宇宙飞船的数据似乎没有发表过。换句话说，作者不知道是什么卡西在土卫六上的发现实证结果证实了他们的计算;你所说的“异常现象”还没有被观察到。

那年晚些时候，Niemann等人。已发表的结果气相色谱仪(GCMS)．结果与土卫六上产甲烷生命的样子的预测一致。具体来说，麦凯和史密斯指出，主要有三个可观察到的影响:

• 无乙炔(C₂H₂)表面上
• 乙烷含量很低(C₂H₆)与预期的光解．土卫六上的光解作用已经被研究过了，罗曼津等人(2005)，其中包括乙烷(和乙炔)在不同海拔的水平图。
• 在表面氢分子的“下沉”，导致浓度在每改变高度非零变化尼曼等人发现只有微量的乙炔，低水平的乙烷。他们提供了GCMS的描述(更好的摘要在这个演讲而且尼曼等人(1999)）;我在这里简要介绍一下。

来自大气的气体进入气体采样系统，在那里它首先通过一个气体色析法(载体气体是氢气，选择氢气是为了提高储存效率)，它使用毛细管柱分离气体。然后气体通过离子源，利用所谓的电子撞击电离，包括25 eV或75 eV的电子束。四极开关透镜可以通过质量滤波器使光束偏转;电子倍增器增强了低质量状态下的探测能力。

GCMS也发现H含量略低₂表面上比大气中高;然而，这种差异是在不确定的范围内，因此根本不是决定性的。也就是说，离子和中性质谱仪(INMS)上卡西尼号轨道飞行器确实观察到H₂混合比例。Strobel (2010)用支持麦凯和史密斯的产甲烷预测的梯度来解释这一点。INMS和GCMS一样，使用离子源，然后将离子引导到四极质量分析仪;这两种乐器非常不同，但它们仍然非常相似，所以我将省略描述。可以找到一个很好的概述在这里．

你所引用的论文中包含的预测包含了三个预测，这些预测都已经得到了验证。正如作者所指出的那样，它们确实可以通过非生物现象来解释。然而,卡西结果意味着，为了最终证明土卫六上不存在产甲烷的生命，其他的预测需要被证伪。

其中一个预测是azotosome一种假想的类似细胞膜的物质丙烯腈(由史蒂文森等人(2015))．它被认为是在像土卫六一样以甲烷和乙烷为基础的世界中构建细胞的最大希望之一。假设偶氮体的稳定性——史蒂文森等人考虑了大约100年——土卫六上这种产甲烷生命的一个障碍是大气中缺乏丙烯腈。然而，INMS证实了以前检测到的丙烯腈(见尼克松等人(2010))．也就是说，浓度需要高到足以让生命成为可能。更详细的表面质谱分析，包括来自液体的样本，可以回答这个问题。

麦凯和史密斯顺便提到的另一个潜在证据是不同水平的碳同位素。Schulze-Makuch和Grinspoon(2005)指出¹²C /¹³INMS发现碳比为95.6，这可能是由生命形式处理碳基化合物引起的，但是Atreya et al. (2006)注意，这只是在上层大气;在低层大气中发现了更低的比率(82.3，这不是非常低，但仍然太低)。这似乎是对产甲烷生物的又一次打击。

最后，正如麦凯所写2010年的一篇文章，对于分子氢的差异有非生物的解释:

• 的卡西测量不正确。
• H2粒子在大气中被物理移动。
• 有催化氢化反应的催化剂。麦凯写道(指存在一种在95开尔文低温下工作的催化剂)

  这将是一个非常有趣和令人吃惊的发现，尽管没有生命的存在那么令人吃惊。

总之，有很多不同的因素可能会影响土卫六上是否存在产甲烷生命:

• 如果缺少乙炔，就意味着有产甲烷的生命存在。
• 低乙烷含量也可能是一致的。
• 氢分子的垂直梯度表示一个“下沉”，可能起源于生物。
• 高浓度丙烯腈的存在将表明以偶氮体为基础的生命是可能的。
• 高碳同位素比值可能是产甲烷生物的积极指标。

卡西用气相色谱仪和离子与中性质谱仪在一定程度上覆盖了所有这些。后续的测量可能会使用质谱来证实这些结果，这将更多地揭示出产甲烷生命的可能性，而用于探测麦凯的替代假设催化剂的新仪器可能表明，没有必要用生命来解释卡西测量。