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域取得重要進展。團隊利用高溫高壓實驗證明了氮氣可以快速參與蛇紋石化過程并生成大量氨氣,結合團隊前期研究,證明了地球早期在巖漿海后期,蛇紋石化導致地球大氣由“二氧化碳+氮氣”轉變?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,是生命起源的關鍵。相關研究成果發(fā)表在學術期刊《科學通報》(Science Bulletin)上。
生命起源問題是自然科學最重要的科學問題之一,對研究宜居星球和發(fā)現(xiàn)地外生命具有重要指導意義。著名的米勒-尤列(Miller-Urey)實驗在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生大量氨基酸,邁出了從無機物到生命所需有機物的第一步。由于氨基酸在生命過程中不可或缺,因此這一反應被認為是生命起源最重要的前置反應之一。然而,傳統(tǒng)認為冥古代地球大氣主要成分是二氧化碳(CO2)和氮氣(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-尤列反應受到限制,氨基酸能否在原始大氣中大量合成存在爭議。

Miller-Urey實驗示意圖。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)
針對冥古代地表氨基酸合成缺乏關鍵原料——氨這一問題,孫衛(wèi)東課題組進行了蛇紋石化合成氨的高溫高壓水熱實驗,研究“橄欖巖-水-氮氣(-二氧化碳)”體系在冥古代地表溫壓條件下的反應,以此證明氮氣參與蛇紋石化合成氨過程,進而對生命起源過程中氨的來源提供啟示。
研究結果顯示,在250-350 °C和19-28 MPa條件下,橄欖巖與水之間發(fā)生蛇紋石化反應產生蛇紋石和氫氣(2Fe2+ + 2H2O = 2Fe3+ + H2 + 2OH-),每克橄欖巖對應的產氫量在30天內從0上升至100-200 μmol。進一步地,氮氣與蛇紋石化的產物之一的氫氣發(fā)生合成氨反應(3H2 + N2 = 2NH3)。氨的產量受到溫壓條件和二氧化碳加入與否的顯著影響,在無二氧化碳參與的實驗中,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驗中,氨的轉化率得到顯著提升。
該研究充分模擬了冥古代蛇紋石化過程:冥古代地球的地幔尚未發(fā)生殼幔分異,超過90%的地表覆蓋為橄欖巖;同時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的氮氣,與實驗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程,保守估算,該過程每年可以為地表系統(tǒng)提供超過1015g數量級的氨。由于冥古代大氣含有超過2.6 bar的氮氣,而太古代大氣中氮氣分壓最多不超過1.1 bar,蛇紋石化合成氨過程極有可能是導致原始大氣中氮氣丟失最重要的原因。

蛇紋石化實驗氫氣和氨的產率圖
該研究揭示了蛇紋石化合成氨過程可以在冥古代地表廣泛發(fā)生并產生大量氫氣和氨,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,對于理解早期大氣演化和前生物合成反應具有重要意義。

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前沿與交叉科學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專項、國家自然科學基金等項目資助。
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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