地底深處的生命探索——礦物中的化學反應分析 | 前沿應用【下篇】

在發現生命的軌跡【上篇】——化石中的碳元素分析（點擊連結查看文章）中，我們了解了古生物化石中的碳元素對探究生命存在的重要作用。除了碳元素外，是否還有其他辦法探索遠古生命的存在呢？

其實地質學體系中的礦物也是發現生命的關鍵，科學家把通過研究礦物中發生過的化學反應，以尋找地底微小生命存在的痕跡。

埃裡克·埃裡森是科羅拉多大學波爾得分校--顯微拉曼光譜實驗室的管理員和應用，他的重要工作之一，就是利用拉曼光譜來分析從地底深處採集的巖石樣本，研究其中的礦物成分、結構和相互關係，從而了解那些人類足跡難以到達的地底，生命是如何演化發展的。

鐵遇水生鏽的化學反應再普通不過了，然而在礦物中，這樣的化學反應就有可能為地底生命創造適合的生存環境。

埃裡森就是通過這些反應來探尋地底生命的存在痕跡，他主要研究的是橄欖巖中的礦物。橄欖巖是一種存在於地幔中的巖石，在地球深處高溫、高壓和缺氧的環境下形成，這與地表多水且低溫的環境相去甚遠。當這些巖石通過地質活動移動到地球表面時，會與環境發生反應，這個過程稱為「蛇紋石化作用」。

「這些巖石的化學反應就像生鏽」埃裡森形象地表示。「橄欖巖中的礦物富含鐵，與水發生化學反應後導致鐵被氧化，水則被分解並釋放出氫氣。對於寄生在巖石中的細菌以及古生菌類單細胞微生物來說，氫氣就是它們的能量來源，它們能夠將氫與二氧化碳結合起來, 終轉化為自身所需要的能量。

通俗的來說，這些細菌及單細胞生物是以氣體為食。當我們發現巖石的礦物中發生過這些化學反應，就意味著微生物很有可能存在過。

地底礦物-水晶（圖片來源：Pixabay）

既然知道了礦物中的反應是探尋生命存在痕跡的重要方式，那麼，如何判斷這些化學反應是否發生過呢？

「拉曼光譜能夠告訴我們礦物中的化學成分和結構變化，並了解它們之間的相互關係，從而判斷巖石中發生的化學反應，以及這一反應環境是否適合微生物的生存。」埃裡森如是表示。

埃裡森將巖石切割成透明薄片放置在顯微鏡下，然後使用HORIBA LabRAM HR Evolution 顯微共焦拉曼光譜儀，對其進行成像分析。LabRAM HR Evolution的焦長為800mm，在單級拉曼光譜儀中具有高的光譜解析度，能夠在亞微米尺度對礦物進行表徵，獲得高質量的拉曼光譜成像圖和精細的峰位信息，同時還可對礦物進行2D和3D共焦成像。由此，研究人員能夠在微觀尺度了解礦物是否曾經被「消耗」過。

註：如需了解該研究中HORIBA LabRAM HR Evolution光譜儀的詳細介紹及使用問題，歡迎點擊左下角「閱讀原文」留言，我們的技術專家會儘快聯繫您進行答疑解惑。

「拉曼是一種強有力的分析技術，它對晶體結構非常敏感，可以展示出礦物結構。科學家們就是通過這些來判斷相關的化學反應是否發生過，從而破譯深層地下找到的巖石如何為微生物生命創造棲息地。」

下圖就是利用拉曼光譜確定的透明巖石薄片中各種礦物的分布情況，這片已經部分蛇紋石化的巖石來自阿曼的薩梅爾蛇綠巖。

拉曼光譜分析巖石薄片中各種礦物得到的高質量拉曼光譜圖

除此之外，拉曼光譜還能幫我們識別隱藏的稀少且細小的礦物。

生命的探尋總是一步一步，循序漸進。遠古生態系統是否存在過？是否普遍的存在？其中有多少可供生命利用的能量？拉曼光譜正在為我們一步步揭開謎底。除了研究地底深處的巖石，科學家們還可以通過這種方式揭秘其他星球上是否存在類似的巖石宿主環境。

除了橄欖巖等礦物的研究，埃裡森就開展了名為 "推動生命的巖石（Rock Powered Life）"項目，致力於揭示從巖石圈（地殼和地幔）到生物圈的能量流動機制。該項目由NASA的天體生物學研究所支持，目的是為了進一步尋找其他行星上可能存在的生命痕跡。

科羅拉多大學波爾得分校顯微拉曼光譜實驗室中使用的
HORIBA LabRAM HR Evolution拉曼光譜儀

生命軌跡探尋的方式並不局限，從之前介紹過的南冰下湖沉積物研究（點擊連結查看文章），到上篇中化石的研究（點擊連結查看文章），科學家們通過研究那些經過幾百年甚至上千年的演變而形成的生命載體——巖石，來尋找生命遺蹟。在如今氣候日益惡化的環境下，這一探索也許能為我們探尋人類發展的進程給出可供參考的案例。至於如何為人類發展給到可供參考的信息，歡迎在往期文章中尋找答案。

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