超临界二氧化碳生命起源是否和超临界二氧化碳有关

2022-01-07 15:37

2020年5月8日，第11期《科学通报》发表了一篇题为《热液系统中超临界二氧化碳的发现》的文章，报道了中国科学院海洋研究所研究员严军和孙卫东首次观测到热液系统中超临界二氧化碳流体的喷发。观测到的超临界二氧化碳中含有大量的氮和有机成分，为生命起源和初始有机物的形成提供了新的启示。

在中国科考船“科学”号2016年深海热液航行中，研究人员利用中国自主研发的深海激光拉曼光谱原位探测系统，在深海水下机器人上，发现了深海热液区有超临界二氧化碳流体喷发的热液喷口。用自行研制的深海热液温度探针测量，超临界二氧化碳喷口的温度约为95℃。进一步利用RiP探针直接探测深海喷发的超临界二氧化碳流体，发现深海超临界二氧化碳的拉曼光谱峰在频移、峰半宽等光谱参数上与实验室模拟的超临界二氧化碳完全一致。同时，原位超临界二氧化碳的拉曼光谱中不仅含有甲烷、硫化氢、硫酸盐等成分的拉曼特征峰，还含有大量的氮和几种未知成分的拉曼峰，远高于周围海水。虽然仅从拉曼光谱信息很难确定未知峰对应的化学物质，但拉曼特征峰的峰位可以反映化学键的信息。拉曼特征峰的归属表明，这些未知峰大多与碳氢、碳碳、碳氮和氮氢有关，证明深海热液区喷发的超临界二氧化碳流体中可能含有大量有机物。考虑到超临界二氧化碳在有机合成甲酸和氨基酸中的重要作用，推测这些未知的有机化合物可能与氨基酸合成有关。

图1深海热液区深海激光拉曼探针原位检测超临界二氧化碳流体

地球上生命的起源和原始有机物的形成一直受到广泛关注。生物学研究表明，超嗜热细菌很可能是地球上生命的共同祖先，因此热液系统一直被认为与生命起源密切相关。然而，热液缺少氨基酸合成的关键元素——氮，这是早期生命起源于热液假说最致命的问题。然而，深海热液区发现的超临界二氧化碳流体富含氮，为地球早期由无机到有机的过程提供了极好的反应介质。最近的实验表明，在超临界二氧化碳和矿物质的参与下，H2O-二氧化碳-N2体系可以合成4种氨基酸，包括丙氨酸、甘氨酸、天冬氨酸和精氨酸。因此，作者提出了地球早期生命起源的新模式。原始大气在月球形成后的几百万年里逐渐形成。此时，原始大气中含有数百个大气压的水蒸气、二氧化碳和氮气。原始海洋形成后，当温度和压力条件高于31°C和7.3 MPa时，二氧化碳将以超临界流体相存在，因此地球表面存在超临界二氧化碳层。在水圈和大气的界面，氮气和矿物颗粒可以被稠密的超临界二氧化碳吸附。在矿物颗粒的催化下，超临界二氧化碳、水和氮气形成初始有机氨基酸等物质，从而完成从无机到有机的转化，产生生命所必需的氨基酸等有机大分子。