中科院海洋所揭示生命起源的重要路徑
近日,中科院海洋所深海中心孫衛(wèi)東課題組在生命起源領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)利用高溫高壓實(shí)驗(yàn)證明了氮?dú)饪梢钥焖賲⑴c蛇紋石化過(guò)程并生成大量氨氣,結(jié)合團(tuán)隊(duì)前期研究,證明了地球早期在巖漿海后期,蛇紋石化導(dǎo)致地球大氣由“二氧化碳+氮?dú)狻鞭D(zhuǎn)變?yōu)椤鞍睔?/span>+甲烷”,在閃電作用下可以合成大量氨基酸,在超臨界水+二氧化碳層形成氨基酸濃湯,是生命起源的關(guān)鍵。相關(guān)研究成果發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)通報(bào)》(Science Bulletin)上。
生命起源問(wèn)題是自然科學(xué)最重要的科學(xué)問(wèn)題之一,對(duì)研究宜居星球和發(fā)現(xiàn)地外生命具有重要指導(dǎo)意義。著名的米勒-尤列(Miller-Urey)實(shí)驗(yàn)在1953年證明甲烷(CH4)、氨氣(NH3)、氫氣(H2)和水蒸氣在電火花作用下可以產(chǎn)生大量氨基酸,邁出了從無(wú)機(jī)物到生命所需有機(jī)物的第一步。由于氨基酸在生命過(guò)程中不可或缺,因此這一反應(yīng)被認(rèn)為是生命起源最重要的前置反應(yīng)之一。然而,傳統(tǒng)認(rèn)為冥古代地球大氣主要成分是二氧化碳(CO2)和氮?dú)猓?/span>N2),缺乏甲烷和氨氣。相比于以甲烷和氨氣為主的還原性大氣,在中性大氣里氨基酸合成效率將大大降低,米勒-尤列反應(yīng)受到限制,氨基酸能否在原始大氣中大量合成存在爭(zhēng)議。

Miller-Urey實(shí)驗(yàn)示意圖。氫氣、甲烷、氨氣和水蒸氣在放電條件下合成氨基酸(如甘氨酸、丙氨酸等)
針對(duì)冥古代地表氨基酸合成缺乏關(guān)鍵原料——氨這一問(wèn)題,孫衛(wèi)東課題組進(jìn)行了蛇紋石化合成氨的高溫高壓水熱實(shí)驗(yàn),研究“橄欖巖-水-氮?dú)猓?/span>-二氧化碳)”體系在冥古代地表溫壓條件下的反應(yīng),以此證明氮?dú)鈪⑴c蛇紋石化合成氨過(guò)程,進(jìn)而對(duì)生命起源過(guò)程中氨的來(lái)源提供啟示。
研究結(jié)果顯示,在250-350 °C和19-28 MPa條件下,橄欖巖與水之間發(fā)生蛇紋石化反應(yīng)產(chǎn)生蛇紋石和氫氣(2Fe2+ + 2H2O = 2Fe3+ + H2 + 2OH-),每克橄欖巖對(duì)應(yīng)的產(chǎn)氫量在30天內(nèi)從0上升至100-200 μmol。進(jìn)一步地,氮?dú)馀c蛇紋石化的產(chǎn)物之一的氫氣發(fā)生合成氨反應(yīng)(3H2 + N2 = 2NH3)。氨的產(chǎn)量受到溫壓條件和二氧化碳加入與否的顯著影響,在無(wú)二氧化碳參與的實(shí)驗(yàn)中,250 °C和28 MPa為合成氫氣和氨最快的溫壓條件,而在加入二氧化碳的實(shí)驗(yàn)中,氨的轉(zhuǎn)化率得到顯著提升。
該研究充分模擬了冥古代蛇紋石化過(guò)程:冥古代地球的地幔尚未發(fā)生殼幔分異,超過(guò)90%的地表覆蓋為橄欖巖;同時(shí)在巖漿海階段的末期,地表溫度逐步下降到700 °C以下,有利于蛇紋石化過(guò)程發(fā)生;此外,冥古代大氣含超1000 bar的水蒸氣、超110 bar的二氧化碳和約2.6 bar的氮?dú)猓c實(shí)驗(yàn)的初始原料極為相近。研究證明,在冥古代地表可以廣泛發(fā)生蛇紋石化合成氨過(guò)程,保守估算,該過(guò)程每年可以為地表系統(tǒng)提供超過(guò)1015g數(shù)量級(jí)的氨。由于冥古代大氣含有超過(guò)2.6 bar的氮?dú)猓糯髿庵械獨(dú)夥謮鹤疃嗖怀^(guò)1.1 bar,蛇紋石化合成氨過(guò)程極有可能是導(dǎo)致原始大氣中氮?dú)鈦G失最重要的原因。

蛇紋石化實(shí)驗(yàn)氫氣和氨的產(chǎn)率圖
該研究揭示了蛇紋石化合成氨過(guò)程可以在冥古代地表廣泛發(fā)生并產(chǎn)生大量氫氣和氨,從而為氨基酸的合成提供原料。基于研究結(jié)果,提出在地表廣泛的蛇紋石化作用下,氫氣、甲烷和氨大量生成,在閃電作用下形成氨基酸濃湯,為生命起源提供了適宜環(huán)境,對(duì)于理解早期大氣演化和前生物合成反應(yīng)具有重要意義。

冥古代地表氨基酸濃湯形成的模型圖
該研究為中科院海洋所與南方科技大學(xué)合作完成,海洋所深海中心在讀博士商修齊和南方科技大學(xué)前沿與交叉科學(xué)研究院黃瑞芳博士為論文共同第一作者,深海中心孫衛(wèi)東研究員為通訊作者。該研究得到了中科院先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
論文信息:Shang X.Q., Huang R.F., Sun W.D.*, 2023. Formation of ammonia through serpentinization in the Hadean Eon. Science Bulletin. 68 (2023), 1109-1112
文章鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S209592732300292X
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