海洋所在熱液系統觀測到自然狀態下超臨界二氧化碳流體的噴發

2020-12-21 中國科學院

　　近日，Science Bulletin 作為封面文章發表了題為Discovery of supercritical carbon dioxide in a hydrothermal system 的文章，報導了中國科學院海洋研究所閻軍和孫衛東課題組合作首次在熱液系統觀測到自然狀態下超臨界二氧化碳流體的噴發。此次觀測到的超臨界二氧化碳中含有大量氮氣和有機組分，為生命起源以及初始有機質的形成提供了新的啟示。

　　在「科學」號科考船的2016年深海熱液航次中，研究人員利用「發現」號深海ROV機器人上搭載的我國自主研發的深海雷射拉曼光譜原位探測系統（RiP）在深海熱液區（1400 m）發現了具有超臨界二氧化碳流體噴發的熱液噴口，利用自主研發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，進而使用RiP探針直接在深海原位探測了噴發狀態的超臨界二氧化碳流體，發現深海超臨界二氧化碳拉曼譜峰在頻移、半峰寬等光譜參數上與實驗室內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徵峰，還含有大量的氮氣以及多個未知組分的拉曼峰，遠遠高於周圍海水。雖然單從拉曼光譜信息上很難確定未知峰對應的化學物質，但是拉曼特徵峰的峰位可以反映化學鍵的信息。對拉曼特徵峰的歸屬表明，這些未知峰大多與C-H、C-C、C-N、N-H有關，這證明深海熱液區噴發的超臨界二氧化碳流體中很可能含有大量有機物質。考慮到超臨界二氧化碳在甲酸、胺基酸等有機合成中的重要作用，推測這些未知的有機物很有可能與胺基酸合成相關。

　　地球生命起源與初始有機質形成一直廣受關注。生物學研究表明超嗜熱菌很可能是地球上生命的共同祖先，因此熱液系統一直被認為與生命起源密切相關。但是熱液流體中缺少合成胺基酸的關鍵元素——氮，這是早期生命起源於熱液假說最致命的問題。而此次在深海熱液區發現的超臨界二氧化碳流體大量富集氮氣，為早期地球從無機到有機的過程提供了絕佳的反應介質。近期有實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胺基酸包括丙氨酸、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。月球形成後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百大氣壓的水蒸氣和二氧化碳，以及氮氣等。在原始海洋形成後，當溫壓條件大於31°C和7.3MPa時，二氧化碳將以超臨界流體相態存在，因此在地球表面存在超臨界態的二氧化碳層。在水圈與大氣圈的交界面上，氮氣和礦物微粒可以被稠密的超臨界二氧化碳所吸附。超臨界二氧化碳、水、氮氣在礦物顆粒的催化下，形成了初始的有機物胺基酸等物質，從而完成了從無機到有機的轉化，並產生了生命體必須的胺基酸等有機大分子。

Science Bulletin2020年第11期封面文章

深海雷射拉曼探針(RiP)在深海熱液區原位探測超臨界二氧化碳流體

早期地球初始有機質形成模型

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