如果宇宙中存在大量的生命，那么大氣層中的甲烷可能是天文學家可以檢測到的地球以外的第一個生命跡象。盡管非生物過程可以產生甲烷，但加州大學圣克魯斯分校的科學家們的一項新研究確定了一系列情況，在這些情況下，可以將生物活動作為巖石行星大氣層中甲烷的來源，這一點很有說服力。

這一點尤其值得注意，因為甲烷是少數幾個潛在的生命跡象或“生物特征”之一，可以通過詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）輕易探測到，該望遠鏡將在今年晚些時候開始觀測。

加州大學圣克魯茲分校天文學和天體物理學研究生、這項新研究的主要作者 Maggie Thompson說：“氧氣經常被談論為最好的生物特征之一，但它可能很難被JWST探測到。”

盡管之前有一些關于甲烷生物特征的研究，但是對于甲烷成為一個好的生物特征所需的行星條件，還沒有一個最新的、專門的評估。Thompson說：“我們想提供一個解釋觀察結果的框架，所以如果我們看到一個有甲烷的巖石行星，我們知道還需要哪些觀察結果才能成為一個有說服力的生物信號。”

這項研究于3月28日發表在《美國國家科學院院刊》上，研究了甲烷的各種非生物來源，并評估了它們維持富含甲烷的大氣的潛力。這些包括火山；在洋中脊、熱液噴口和構造俯沖區等環境中的反應；以及彗星或小行星撞擊。

甲烷作為生物標志物的理由是它在大氣中的不穩定性。由于光化學反應破壞了大氣中的甲烷，它必須被穩定地補充以保持高水平。

“如果你在一個巖石行星上檢測到大量的甲烷，你通常需要一個巨大的來源來解釋，”共同作者、加州大學舊金山分校的研究員Joshua Krissansen-Totton說。“我們知道生物活動在地球上創造了大量的甲烷，而且可能在早期地球上也是如此，因為制造甲烷是一件相當容易代謝的事情。”

然而，非生物來源不可能產生那么多的甲烷而不產生關于其起源的可觀察的線索。例如，火山噴發的氣體會將甲烷和一氧化碳都添加到大氣中，而生物活動往往很容易消耗一氧化碳。研究人員發現，非生物過程不容易產生富含甲烷和二氧化碳的宜居行星大氣，而幾乎沒有一氧化碳。

這項研究強調，在評估潛在的生物特征時，需要考慮整個行星的背景。研究人員的結論是，對于圍繞類似太陽的恒星運行的巖質行星，如果大氣層也有二氧化碳，甲烷比一氧化碳更豐富，并且可以排除極其豐富的行星成分，那么大氣層中的甲烷更有可能被認為是生命的強烈跡象。

“一個分子是不會給你答案的--你必須考慮到行星的全部背景，”Thompson說。“甲烷是拼圖中的一塊，但是要確定一個星球上是否有生命，你必須考慮它的地球化學，它如何與它的恒星相互作用，以及在地質時間尺度上能夠影響一個星球大氣的許多過程。”

該研究考慮了“假陽性”的各種可能性，并提供了評估甲烷生物特征的準則。

Krissansen-Totton說：“有兩件事可能會出錯--你可能會把一些東西誤解為生物特征而得到一個假陽性，或者你可能會忽略一些真正的生物特征。通過這篇論文，我們想開發一個框架來幫助避免甲烷的這兩個潛在錯誤。”