近日，Science Bulletin作為封面文章發(fā)表了題為Discovery of supercritical carbon dioxide in a hydrothermal system的文章，報道了中國科學(xué)院海洋研究所閻軍和孫衛(wèi)東課題組合作首次在熱液系統(tǒng)觀測到自然狀態(tài)下超臨界二氧化碳流體的噴發(fā)。此次觀測到的超臨界二氧化碳中含有大量氮?dú)夂陀袡C(jī)組分，為生命起源以及初始有機(jī)質(zhì)的形成提供了新的啟示。

Science Bulletin2020年第11期封面文章

在我國大科學(xué)工程“科學(xué)”號科考船的2016年深海熱液航次中，研究人員利用“發(fā)現(xiàn)”號深海ROV機(jī)器人上搭載的我國自主研發(fā)的深海激光拉曼光譜原位探測系統(tǒng)（RiP）在深海熱液區(qū)（1400 m）發(fā)現(xiàn)了具有超臨界二氧化碳流體噴發(fā)的熱液噴口，利用自主研發(fā)的深海熱液溫度探針測定超臨界二氧化碳噴口溫度約為95°C，進(jìn)而使用RiP探針直接在深海原位探測了噴發(fā)狀態(tài)的超臨界二氧化碳流體（圖2），發(fā)現(xiàn)深海超臨界二氧化碳拉曼譜峰在頻移、半峰寬等光譜參數(shù)上與實(shí)驗室內(nèi)模擬獲得的超臨界二氧化碳是完全一致的。

同時，原位超臨界二氧化碳拉曼光譜中不僅含有甲烷、硫化氫、硫酸根等組分的拉曼特征峰，還含有大量的氮?dú)庖约岸鄠€未知組分的拉曼峰，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周圍海水。雖然單從拉曼光譜信息上很難確定未知峰對應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)，但是拉曼特征峰的峰位可以反映化學(xué)鍵的信息。對拉曼特征峰的歸屬表明，這些未知峰大多與C-H、C-C、C-N、N-H有關(guān)，這證明深海熱液區(qū)噴發(fā)的超臨界二氧化碳流體中很可能含有大量有機(jī)物質(zhì)?？紤]到超臨界二氧化碳在甲酸、氨基酸等有機(jī)合成中的重要作用，推測這些未知的有機(jī)物很有可能與氨基酸合成相關(guān)。

深海激光拉曼探針(RiP)在深海熱液區(qū)原位探測超臨界二氧化碳流體

地球生命起源與初始有機(jī)質(zhì)形成一直廣受關(guān)注。生物學(xué)研究表明超嗜熱菌很可能是地球上生命的共同祖先，因此熱液系統(tǒng)一直被認(rèn)為與生命起源密切相關(guān)。但是熱液流體中缺少合成氨基酸的關(guān)鍵元素——氮，這是早期生命起源于熱液假說最致命的問題。

此次在深海熱液區(qū)發(fā)現(xiàn)的超臨界二氧化碳流體大量富集氮?dú)?，為早期地球從無機(jī)到有機(jī)的過程提供了絕佳的反應(yīng)介質(zhì)。近期有實(shí)驗表明在超臨界二氧化碳和礦物的參與下，從H2O-CO2-N2體系中可以合成四種氨基酸包括丙氨酸、甘氨酸、天冬氨酸和精氨酸。由此作者提出了一個新的早期地球生命起源模型。

早期地球初始有機(jī)質(zhì)形成模型

月球形成后的幾百萬年間原始大氣逐步形成，此時的原始大氣中含有數(shù)百大氣壓的水蒸氣和二氧化碳，以及氮?dú)獾?。在原始海洋形成后，?dāng)溫壓條件大于31°C和7.3 MPa時，二氧化碳將以超臨界流體相態(tài)存在，因此在地球表面存在超臨界態(tài)的二氧化碳層。在水圈與大氣圈的交界面上，氮?dú)夂偷V物微?？梢员怀砻艿某R界二氧化碳所吸附。超臨界二氧化碳、水、氮?dú)庠诘V物顆粒的催化下，形成了初始的有機(jī)物氨基酸等物質(zhì)，從而完成了從無機(jī)到有機(jī)的轉(zhuǎn)化，并產(chǎn)生了生命體必須的氨基酸等有機(jī)大分子。掌上青島/青網(wǎng) 記者 姜玲