從蛇紋石到地外宜居環(huán)境 |申建勛等-Nature Astronomy

探尋地外宜居環(huán)境和生命信號(hào)是深空探測(cè)任務(wù)和行星科學(xué)研究的重要目標(biāo)。我國(guó)國(guó)家空間科學(xué)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2024—2050年）中的“宜居行星”主題就主要探索太陽系天體和系外行星的宜居性，并開展地外生命探尋。尋找地外宜居環(huán)境和生命信號(hào)中“探哪里”、“探什么”和“如何探”是當(dāng)前天體生物學(xué)研究的前沿。此前，國(guó)際上曾陸續(xù)提出將“水”、“碳”、“氮”、“磷”或“能量”等不同生命宜居要素，作為著陸區(qū)和探測(cè)區(qū)的遴選標(biāo)準(zhǔn)。然而，隨著探測(cè)技術(shù)和知識(shí)水平的不斷進(jìn)步，近年來逐漸意識(shí)到單一的宜居要素難以準(zhǔn)確評(píng)估支持生命起源和生存的宜居環(huán)境條件。

近日，我所地球與行星物理學(xué)科中心地球與行星磁場(chǎng)及宜居性學(xué)科組的申建勛博士后與合作導(dǎo)師林巍研究員、潘永信研究員，聯(lián)合我所巖石圈演化學(xué)科中心的劉傳周研究員，基于近年來國(guó)內(nèi)外在地球和地外天體上蛇紋石化過程研究中取得的最新進(jìn)展，提出指示多種宜居環(huán)境要素的蛇紋石有望成為地外宜居環(huán)境和生命信號(hào)探測(cè)的突破口。

蛇紋石化過程是一類特殊的水巖反應(yīng)，是基性或超基性巖中的含鎂鐵礦物（如橄欖石、輝石等）在熱液蝕變下的變質(zhì)作用，通常伴隨著與氣體之間的相互作用和釋放還原性氣體的過程（圖1）。根據(jù)對(duì)地球生命的認(rèn)知，生命起源和生存至少需要液態(tài)水、生源要素、有機(jī)分子、適宜的理化條件等宜居要素。蛇紋石的出現(xiàn)不僅可以指示液態(tài)水的存在，還表明可能同時(shí)存在水合成的過程。橄欖石或輝石等礦物中的亞鐵離子提供了一個(gè)局部的強(qiáng)還原環(huán)境，為氮、磷等生命必需元素的活化和釋放創(chuàng)造了條件，同時(shí)生成氫氣、一氧化碳、甲烷、氨和亞磷酸等生命更易利用的物質(zhì)。二氧化碳、甲烷、水汽和氫氣等氣體的溫室效應(yīng)可能為一些寒冷天體（如火星、木/土星系冰衛(wèi)星等）提供適宜生命起源和生存的局部溫暖環(huán)境，這個(gè)相對(duì)溫暖還原的環(huán)境還可以與天體表面或宇宙中的低溫氧化輻射環(huán)境形成天然的能量梯度，進(jìn)而可能驅(qū)動(dòng)更加復(fù)雜的化學(xué)過程甚至生命過程。

與蛇紋石化過程相關(guān)的甲烷、氨、氫氣和水可以通過米勒-尤里反應(yīng)生成氨基酸、單糖、有機(jī)酸、尿素等有機(jī)分子。蛇紋石化過程的產(chǎn)物二氧化硅和磁鐵礦可能進(jìn)一步促進(jìn)單體有機(jī)分子（如氨基酸）的聚合反應(yīng)以及手性分子的同手性起源。其中，磁鐵礦還可以記錄行星的化學(xué)剩磁，是重要的磁性載體。此外，形成蛇紋石的流體環(huán)境也可誘導(dǎo)碳酸鹽化過程的發(fā)生進(jìn)而生成含鎂、鐵、鈣等金屬元素的碳酸鹽礦物（圖1），這些礦物不僅有利于碳的賦存，也為潛在的生命提供了碳源。同時(shí)，蛇紋石還具有保存有機(jī)質(zhì)的潛力，地球上碳酸鹽化的蛇紋石甚至可以保存微生物化石。

圖1 蛇紋石化過程及其相關(guān)聯(lián)的水-巖-氣作用可以指示地外環(huán)境的宜居性

綜上所述，蛇紋石化過程的標(biāo)志性產(chǎn)物——蛇紋石不僅指示了環(huán)境的多種宜居要素，而且具有保存過去生命痕跡的潛力。由于蛇紋石能夠在地質(zhì)歷史時(shí)期長(zhǎng)期保存，而且利用譜學(xué)技術(shù)可以進(jìn)行遙感和原位探測(cè)，因此可以作為指示地外宜居環(huán)境和潛在生命信號(hào)的理想探測(cè)目標(biāo)，在未來的深空探測(cè)任務(wù)中應(yīng)予以重視。

上述研究發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊NA（申建勛*，劉傳周，潘永信，林巍*. Follow the serpentine as a comprehensive diagnostic for extraterrestrial habitability [J].Nature Astronomy, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02373-x.）。研究受國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所等聯(lián)合資助。

編輯：劉強(qiáng)