生命来自海底“黑烟囱”又有了新证据

2020-05-20 09:02 科技日报

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近日,我国科学家在《科学通报》(英文版)以封面文章形式发表一项科研成果——科考队员在2016年深海热液航次中,于西太平洋一处深海热液区发现超临界二氧化碳,这也是全球首次在自然界发现超临界二氧化碳。科学家分析认为,此次观测到的超临界二氧化碳中含有大量氮气和有机组分,为生命起源以及初始有机质的形成提供了新的启示。

何为超临界二氧化碳?它又为何如此难以发现?记者采访了相关成果的完成方,请专家解疑答惑。

自然界中超临界二氧化碳很罕见

“超临界二氧化碳是二氧化碳的一种特殊相态,即当纯态的二氧化碳温度超过31摄氏度、压力超过73个大气压时,二氧化碳将以超临界流体的形式存在。”在接受科技日报记者采访时,课题组成员、中国科学院海洋研究所研究员孙卫东介绍。

“超临界态的二氧化碳兼具气态与液态物质的特性,拥有较大的扩散速率和较强的溶解能力,可以极大地提高反应的速率,因此被广泛用于有机合成反应。”论文第一作者、中国科学院海洋研究所研究员张鑫说。

之所以在自然界中难觅其踪影,主要是由于超临界二氧化碳的形成条件必须同时满足31摄氏度和73个大气压以上的温压条件,我们生活的普通场景中的大气压力仅有一个大气压,只有地球深部与深海洋底才可以满足这种极端压力条件。

“但以前的观测能力和取样手段,无法对地球深部的超临界态二氧化碳进行观测和取样。因为一旦取样或观测方式改变了超临界二氧化碳的温压条件,超临界二氧化碳的相态就会改变。”张鑫说,“近些年随着深海原位观测技术的提高,特别是深海激光原位拉曼光谱测量技术的问世,使得可以在不改变被测物温压状态的情况下,完成对被测物组分和结构的测量,这才得以在深海观测到自然状态下的超临界二氧化碳。”

孙卫东表示,正是由于在相关深海原位观测技术方面的进步,超临界二氧化碳才有被探测的可能。

深海热液区温压满足形成条件

而本次超临界二氧化碳被发现的地方,是西太平洋的深海热液区。深海热液又被称作“黑烟囱”,通常与海底岩浆活动有关,是一种海水被加热并与岩浆中挥发性物质一起喷出海底所形成的地质现象,温度可达三四百摄氏度,热液流体的喷发不仅向海洋释放热量,还带来了很多的金属元素和气体组分,孕育了丰富的基因资源和大量热液硫化物矿床。

1977年,美国“阿尔文号”载人深潜器在2500米深的海底发现,热液喷口附近竟然生活着密密麻麻的生物,并形成了基于化学能的生态系统。全球的热液区主要分布在洋中脊和弧后盆扩张中心,是海洋生命的起源之一。

据孙卫东介绍,西太平洋弧后盆深海热液区喷发的热液流体中通常含有较多的二氧化碳气体组分,这主要源于岩浆的脱气作用。而在此次发现超临界二氧化碳的热液区,由于热液区深部不同物质相发生分离作用,热液流体中的二氧化碳组分发生了富集,并以纯二氧化碳的形式喷出海底,加上热液区提供了较高的温度、压力条件,使得二氧化碳能够以超临界态形式存在。

张鑫回忆道,在“科学”号科考船2016年深海热液航次中,研究人员利用“发现”号深海ROV机器人上搭载的我国自主研发的深海激光拉曼光谱原位探测系统(RiP),在深海热液区(海面以下1400米)发现了具有超临界二氧化碳流体喷发的热液喷口。利用深海激光拉曼光谱原位探测系统采集了大量原位拉曼光谱,确定了所测流体的组分为超临界二氧化碳,并使用自主研发的深海热液温度探针测定超临界二氧化碳喷口温度约为95摄氏度,实验室模拟的超临界二氧化碳拉曼谱峰与深海原位测定的一致,进一步确定了超临界二氧化碳的相态。

氮的发现提示生命起源新可能

孙卫东表示,当前主流的地球生命起源的假说有两个,一个假说认为,地球生命起源于地球原始大气放电,另一个假说则认为,地球生命起源于深海热液系统。1953年著名地球化学家、诺贝尔奖得主哈罗德·C·尤里与其硕士研究生斯坦利·米勒模拟原始大气组分把氢气、甲烷和氮气等放在抽成真空的玻璃仪器中,使用一个电弧放电,模拟大自然的电闪雷鸣,最终得到了组成生命不可缺少的蛋白质原料——氨基酸。米勒把实验结果写成论文,并公诸于世,立刻引起轰动,世界各国科学家纷纷仿效。

“但是很多研究认为地球和其他类地行星的原始大气是以二氧化碳和氮气为主的。即米勒实验所用模拟大气组分与原始大气尚有区别。目前主流的观点认为深海热液系统是生命起源的场所。”孙卫东说,生物学研究表明超嗜热菌很可能是地球上生命的共同祖先,因此热液系统一直被认为与生命起源密切相关。但是热液流体中缺少合成氨基酸的关键元素——氮,这是早期生命起源于热液这一假说中最致命的问题。

“而此次发现的超临界二氧化碳流体中还含有非常高的氮气组分。”孙卫东表示,这不仅解决了热液生命起源假说中氮来源的问题,同时具备诸多特性的超临界二氧化碳还为早期地球从无机到有机的过程提供了绝佳的反应介质。

张鑫介绍,此次发现的超临界二氧化碳流体的拉曼光谱中还含有大量未知的拉曼谱峰,它们的归属表明,这些未知的峰大多与碳—氢、碳—碳、碳—氮、氮—氢有关,这证明深海热液区喷发的超临界二氧化碳流体中很可能含有大量有机物质。考虑到超临界二氧化碳在甲酸、氨基酸等有机合成中的重要作用,研究团队推测这些未知的有机物很有可能与氨基酸合成相关。

由此,该项发现也带来了新的生命起源的启示。“在形成月球的大碰撞之后,地球的原始大气逐步形成。此时的原始大气中含有数百大气压的水蒸气和超过一百大气压的二氧化碳,以及氮气等。在原始海洋形成后,当温压条件大于31摄氏度和73个大气压时,二氧化碳将以超临界流体相态存在,因此在地球表面存在超临界态的二氧化碳层。”孙卫东进一步解释,“在水圈与大气圈的交界面上,氮气和矿物微粒可以被稠密的超临界二氧化碳所吸附。超临界二氧化碳、水、氮气在矿物颗粒的催化下,完成了从无机到有机的转化,并产生了生命体必须的氨基酸等有机大分子。”

责任编辑:李继业(QF0004)