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PNAS|土卫二冰下海洋中有丰富的磷供给生命

PNAS|土卫二冰下海洋中有丰富的磷供给生命
2022年09月22日 20:35 新浪网 作者 石头科普工作室

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  近日,中国科学技术大学地球和空间科学学院的郝记华研究员美国西南研究院Christopher Glein研究员等学者合作,构建模拟土卫二海水化学,发现土卫二碱性、高碳酸盐的水体中含有很丰富的溶解态磷酸根,可以支持潜在地外生命的起源与繁盛。相关研究成果以“Abundant phosphorus expected for possible life in Enceladus’s ocean”发表在国际一流学术期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences,USA》上。该发现首次揭示了生命关键营养元素磷在土卫二冰下海洋中可以积累较高浓度,填补了土卫二海洋宜居性研究的重要空白。

  土卫二是土星的一颗天然卫星,体积较小,表面被厚厚的冰层覆盖。传统研究认为,土卫二等冰卫星的内部能量太少,不足以支撑其内部长期存在液态水体。但,1980年左右,美国宇航局(NASA)通过旅行者号(Voyager)I和II的近轨观察,发现土卫二表面非常光滑,且陨石坑密度在空间上相差很大,暗示其有活跃的水动力活动。随后,2005年,NASA的卡西尼号(Cassini)号探测器通过更高分辨率的近轨观察,发现土卫二表面有丰富的老虎纹(Tiger Stripes),并且首次在南极地区观测到水冰羽(Water plume),证实了冰下海洋的存在。随后,卡西尼号掠过了土卫二的水冰羽,并对其化学组分进行分析,结果证明其有丰富的无机和有机构成,包括Na+、K+、Cl-、HCO3-等无机盐以及C1-C6的有机物。NASA将土卫二视为最有可能发现微生物活动的地外星体(之一)。

图1. 卡西尼号观测到的土卫二冰壳上的老虎纹(左)和南极的水冰羽(右)

  目前,科学家已经在土卫二海水中发现了丰富的碳、氢、氧、氮及少量的硫,但对于生命六大基本构成元素之一的磷仍然没有相关报道。在地球表面水体中,磷往往以正磷酸(HxPO4(3-x)-)的形式存在,且溶解度极低,因此被普遍认为是限制生命起源和生物生产力规模的关键营养元素。不同于地球海水,土卫二海水被认为是碱性(pH = 8.5 - 11)且还原性(含有大量的H2)。这种迥异的海水化学到底会对磷化学产生什么影响呢?土卫二海洋中的磷元素会不会是限制其生命宜居性的关键?

图2. 2008年美国Cassini号对土卫二喷出物的分析(Waite et al., 2009, Nature)

         针对上述关键科学问题,中国科学技术大学地球和空间科学学院的郝记华研究员领衔的国际合作团队,通过对Cassini已发表数据的解读,设置土卫二冰下海洋环境的边界条件,并且收集并整理有关热力学数据,构建水-岩相互作用模型,模拟土卫二海水化学。结果表明,即使土卫二海水呈现还原性,磷依然主要以正磷酸盐(HPO42-)形式存在,其他磷形态(包括有机磷)不稳定。此外,土卫二海水中溶解的HPO42-可以达到10-5至10-3 molal,远高于地球海水中的含量(10-7 molal)。磷的高溶解度主要由于土卫二海水碱性且高碳酸根的特征导致碱土及过渡金属元素含量很低,从而提高了磷酸盐矿物的溶解度。类似的过程和现象也可以在地球上很多碱性且高碳酸根的湖泊中发现。此外,研究团队还构建了水-岩相互作用的动力学模型,证明海水对土卫二核部的交代过程可以快速地释放大量磷酸根,在10年之内达到10-3 molal。相比来说,土卫二的海洋被认为已经存在了108-109年,远久于溶解反应达到平衡所需的时间。

  图3. 土卫二海水边界条件(灰色阴影部分)下较高的磷酸根溶解度。左右两图分别指示高氟和无氟两种极端边界条件下的溶解度特征。

图4. 不同边界条件下,土卫二海水交代核部岩石释放1 mM磷酸根所需的时间。

  上述发现首次揭示了土卫二海水中有比较高的溶解态磷。结合前人的研究,土卫二海水中将含有丰富的六大生源元素(CHONPS),有利于生命的起源和微生物的生存。本研究成果弥补了土卫二海水宜居性研究的空白,为未来发射冰卫星载荷,探测土卫二海洋中可能的生命信号提供了科学参考。此外,本研究构建的土卫二水-岩相互作用模型未来也可以应用到研究其他营养元素以及其他冰卫星海洋。

图5. 土卫二海水交代核部岩石释放大量磷酸根的示意图。

  本研究受到科技部重点研发计划(2021YFA0718200)、中科院百人计划-青年项目、中国科学技术大学“双一流”建设经费以及CIFAR Azrieli Global Scholarship等项目的支持。本文的第一和通讯作者为郝记华研究员,共同通讯作者为Christopher Glein研究员;第一和通讯单位为中国科学技术大学

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