我研究人員利用自主設(shè)備在深海熱液區(qū)發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳

深海激光拉曼光譜原位探測系統(tǒng)(RiP)在深海熱液區(qū)原位探測超臨界二氧化碳流體

近日，我國科學(xué)家在《科學(xué)通報》(英文版)以封面文章形式發(fā)表一項科研成果——科考隊員在2016年深海熱液航次中，于西太平洋一處深海熱液區(qū)發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳，這也是全球首次在自然界發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳。科學(xué)家分析認為，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(zhì)的形成提供了新的啟示。

何為超臨界二氧化碳?它又為何如此難以發(fā)現(xiàn)?記者采訪了相關(guān)成果的完成方，請專家解疑答惑。

自然界中超臨界二氧化碳很罕見

“超臨界二氧化碳是二氧化碳的一種特殊相態(tài)，即當(dāng)純態(tài)的二氧化碳溫度超過31攝氏度、壓力超過73個大氣壓時，二氧化碳將以超臨界流體的形式存在。”在接受科技日報記者采訪時，課題組成員、中國科學(xué)院海洋研究所研究員孫衛(wèi)東介紹。

“超臨界態(tài)的二氧化碳兼具氣態(tài)與液態(tài)物質(zhì)的特性，擁有較大的擴散速率和較強的溶解能力，可以極大地提高反應(yīng)的速率，因此被廣泛用于有機合成反應(yīng)。”論文第一作者、中國科學(xué)院海洋研究所研究員張鑫說。

之所以在自然界中難覓其蹤影，主要是由于超臨界二氧化碳的形成條件必須同時滿足31攝氏度和73個大氣壓以上的溫壓條件，我們生活的普通場景中的大氣壓力僅有一個大氣壓，只有地球深部與深海洋底才可以滿足這種極端壓力條件。

“但以前的觀測能力和取樣手段，無法對地球深部的超臨界態(tài)二氧化碳進行觀測和取樣。因為一旦取樣或觀測方式改變了超臨界二氧化碳的溫壓條件，超臨界二氧化碳的相態(tài)就會改變。”張鑫說，“近些年隨著深海原位觀測技術(shù)的提高，特別是深海激光原位拉曼光譜測量技術(shù)的問世，使得可以在不改變被測物溫壓狀態(tài)的情況下，完成對被測物組分和結(jié)構(gòu)的測量，這才得以在深海觀測到自然狀態(tài)下的超臨界二氧化碳。”

孫衛(wèi)東表示，正是由于在相關(guān)深海原位觀測技術(shù)方面的進步，超臨界二氧化碳才有被探測的可能。

深海熱液區(qū)溫壓滿足形成條件

而本次超臨界二氧化碳被發(fā)現(xiàn)的地方，是西太平洋的深海熱液區(qū)。深海熱液又被稱作“黑煙囪”，通常與海底巖漿活動有關(guān)，是一種海水被加熱并與巖漿中揮發(fā)性物質(zhì)一起噴出海底所形成的地質(zhì)現(xiàn)象，溫度可達三四百攝氏度，熱液流體的噴發(fā)不僅向海洋釋放熱量，還帶來了很多的金屬元素和氣體組分，孕育了豐富的基因資源和大量熱液硫化物礦床。

1977年，美國“阿爾文號”載人深潛器在2500米深的海底發(fā)現(xiàn)，熱液噴口附近竟然生活著密密麻麻的生物，并形成了基于化學(xué)能的生態(tài)系統(tǒng)。全球的熱液區(qū)主要分布在洋中脊和弧后盆擴張中心，是海洋生命的起源之一。

據(jù)孫衛(wèi)東介紹，西太平洋弧后盆深海熱液區(qū)噴發(fā)的熱液流體中通常含有較多的二氧化碳氣體組分，這主要源于巖漿的脫氣作用。而在此次發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳的熱液區(qū)，由于熱液區(qū)深部不同物質(zhì)相發(fā)生分離作用，熱液流體中的二氧化碳組分發(fā)生了富集，并以純二氧化碳的形式噴出海底，加上熱液區(qū)提供了較高的溫度、壓力條件，使得二氧化碳能夠以超臨界態(tài)形式存在。

張鑫回憶道，在“科學(xué)”號科考船2016年深海熱液航次中，研究人員利用“發(fā)現(xiàn)”號深海ROV機器人上搭載的我國自主研發(fā)的深海激光拉曼光譜原位探測系統(tǒng)(RiP)，在深海熱液區(qū)(海面以下1400米)發(fā)現(xiàn)了具有超臨界二氧化碳流體噴發(fā)的熱液噴口。利用深海激光拉曼光譜原位探測系統(tǒng)采集了大量原位拉曼光譜，確定了所測流體的組分為超臨界二氧化碳，并使用自主研發(fā)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攝氏度，實驗室模擬的超臨界二氧化碳拉曼譜峰與深海原位測定的一致，進一步確定了超臨界二氧化碳的相態(tài)。

氮的發(fā)現(xiàn)提示生命起源新可能

孫衛(wèi)東表示，當(dāng)前主流的地球生命起源的假說有兩個，一個假說認為，地球生命起源于地球原始大氣放電，另一個假說則認為，地球生命起源于深海熱液系統(tǒng)。1953年著名地球化學(xué)家、諾貝爾獎得主哈羅德·C·尤里與其碩士研究生斯坦利·米勒模擬原始大氣組分把氫氣、甲烷和氮氣等放在抽成真空的玻璃儀器中，使用一個電弧放電，模擬大自然的電閃雷鳴，最終得到了組成生命不可缺少的蛋白質(zhì)原料——氨基酸。米勒把實驗結(jié)果寫成論文，并公諸于世，立刻引起轟動，世界各國科學(xué)家紛紛仿效。

“但是很多研究認為地球和其他類地行星的原始大氣是以二氧化碳和氮氣為主的。即米勒實驗所用模擬大氣組分與原始大氣尚有區(qū)別。目前主流的觀點認為深海熱液系統(tǒng)是生命起源的場所。”孫衛(wèi)東說，生物學(xué)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(tǒng)一直被認為與生命起源密切相關(guān)。但是熱液流體中缺少合成氨基酸的關(guān)鍵元素——氮，這是早期生命起源于熱液這一假說中最致命的問題。

“而此次發(fā)現(xiàn)的超臨界二氧化碳流體中還含有非常高的氮氣組分。”孫衛(wèi)東表示，這不僅解決了熱液生命起源假說中氮來源的問題，同時具備諸多特性的超臨界二氧化碳還為早期地球從無機到有機的過程提供了絕佳的反應(yīng)介質(zhì)。

張鑫介紹，此次發(fā)現(xiàn)的超臨界二氧化碳流體的拉曼光譜中還含有大量未知的拉曼譜峰，它們的歸屬表明，這些未知的峰大多與碳—氫、碳—碳、碳—氮、氮—氫有關(guān)，這證明深海熱液區(qū)噴發(fā)的超臨界二氧化碳流體中很可能含有大量有機物質(zhì)。考慮到超臨界二氧化碳在甲酸、氨基酸等有機合成中的重要作用，研究團隊推測這些未知的有機物很有可能與氨基酸合成相關(guān)。

由此，該項發(fā)現(xiàn)也帶來了新的生命起源的啟示。“在形成月球的大碰撞之后，地球的原始大氣逐步形成。此時的原始大氣中含有數(shù)百大氣壓的水蒸氣和超過一百大氣壓的二氧化碳，以及氮氣等。在原始海洋形成后，當(dāng)溫壓條件大于31攝氏度和73個大氣壓時，二氧化碳將以超臨界流體相態(tài)存在，因此在地球表面存在超臨界態(tài)的二氧化碳層。”孫衛(wèi)東進一步解釋，“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，完成了從無機到有機的轉(zhuǎn)化，并產(chǎn)生了生命體必須的氨基酸等有機大分子。”