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应用报告| 地球生命演化机制出现新理论?牛津仪器助力其中

发布日期:2021-04-19 00:00

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近日,耶鲁大学的BenjaminL. Hess等人在《Nature-Communications》上发表了题为《Lightning strikes as a major facilitator of prebiotic phosphorus reduction on early Earth》的研究论文。作者提出,在早期地球上,闪电击中地表黏土会形成磷铁石(Fe3P),这一机制是生命演化所需活性磷的一个广泛且连续的来源。

地球上的生命大约产生于35亿年前。活性磷广泛存在于生物分子如DNARNA磷脂ATP中,是生命演化过程中的重要参与元素。地球上非生命形态的磷元素主要以PO43-的形式存在于矿物(如磷灰石)中,不能有效地溶解于水。

以前的研究认为,陨石中的副矿物陨磷铁镍矿[Fe,Ni]3P)是早期地球上活性磷的主要来源。因为陨磷铁镍矿中遇到水后,会形成水合活化磷化物以及一些中间态的含磷物质,为早期生命起源提供关键的有机分子,如甘油磷酸盐、核苷和胆碱磷酸。根据估算,从冥古宙到太古宙早期,陨石撞击地球引入的活性磷化物约为105~7kg,这种观点认为其他来源的活性磷很少。

 

                          

                                         图1 闪电管石样本的结构以及其中关键矿物Fe3P的鉴定

 

BenjaminL. Hess等在论文中提出,闪电可能是早期地球上活性磷的强劲且持续的来源。关键的证据是作者在2016年美国伊利诺斯州的雷击中形成的闪电管石中发现了大量的磷铁石Fe3P),如图1所示。闪电管石的芯部和边缘交界的孔隙处存在大量的含铁颗粒。经过牛津仪器的AZtecEDS系统和EBSD(型号Symmetry)联用鉴定,其中一些颗粒是磷铁石,另外的一些为自然铁颗粒。

自然界许多物质成分相近但是晶体结构迥异,未知相的鉴别是一项具有挑战性的工作。牛津仪器的EDSEBSD配合使用可以轻松应对这一难题。在样品上找到需要鉴别的未知相,EDSEBSD分别采集成分信息和衍射花样。软件会根据成分信息从晶体学数据库中筛选出候选相,之后与衍射花样匹配,给出最优的相鉴定结果。该研究中,磷铁石的准确鉴定使新的活性磷来源模型的建立成为可能。

 


早期地球上闪电轰击地表产生活性磷的机制示意图

 

早期地球上闪电击中地表黏土产生活性磷的机制如图2所示,大致过程如下:1)缺氧、富水、富CO2的大气环境与地表丰富的镁铁质岩石反应,形成碳酸盐风化层;2)因为早期地球上的pCO2浓度高,闪电的频率也高。闪电击中地表黏土后,黏土融化,形成闪电管石;3)在闪电管石形成过程中,源于镁铁质矿物、磷酸盐(如磷灰石)和碳酸盐的铁、磷、碳元素形成还原态的磷,以磷铁石和亚磷酸盐(如CaHPO3)的形式存在;4)磷化物和亚磷酸盐溶解于水,在地表环境中形成水合的次磷酸盐、亚磷酸盐和磷酸盐物质。中间态的含磷物质与紫外线辐射、火山喷发的HS—反应形成其他的磷酸盐,为生命起源提供活性磷来源。

基于早期地球的环境(大面积的裸露地表和丰富的水圈),作者估算出,从冥古宙到太古宙早期(生命起源之前),闪电击中地表每年会形成10~1000kg磷化物、100~10000kg亚磷酸盐和次磷酸盐。35亿年前,闪电产生的活性磷的量超过陨石撞击,这个时间正好对应地球上生命的诞生。作者提出的新的活性磷产生机制不依赖陨石撞击,如果行星表面存在大量闪电发生的大气圈层、相当数量的裸露地表和活跃的水圈,闪电可以独自产生活性磷,这一机制为类地行星上生命的出现提供了无限长的时间窗口和可能性。

 

 

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