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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(cè)系統(tǒng)(RiP)在深海熱液區(qū)原位探測(cè)超臨界二氧化碳流體

近日，我國(guó)科學(xué)家在《科學(xué)通報(bào)》(英文版)以封面文章形式發(fā)表一項(xiàng)科研成果——科考隊(duì)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(rèn)為，此次觀測(cè)到的超臨界二氧化碳中含有大量氮?dú)夂陀袡C(jī)組分，為生命起源以及初始有機(jī)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(qǐng)專家解疑答惑。

自然界中超臨界二氧化碳很罕見(jiàn)

“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(guò)31攝氏度、壓力超過(guò)73個(gè)大氣壓時(shí)，二氧化碳將以超臨界流體的形式存在。”在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)，課題組成員、中國(guó)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(kuò)散速率和較強(qiáng)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(jī)合成反應(yīng)。”論文第一作者、中國(guó)科學(xué)院海洋研究所研究員張?chǎng)握f(shuō)。

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(shí)滿足31攝氏度和73個(gè)大氣壓以上的溫壓條件，我們生活的普通場(chǎng)景中的大氣壓力僅有一個(gè)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(cè)能力和取樣手段，無(wú)法對(duì)地球深部的超臨界態(tài)二氧化碳進(jìn)行觀測(cè)和取樣。因?yàn)橐坏┤踊蛴^測(cè)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(huì)改變。”張?chǎng)握f(shuō)，“近些年隨著深海原位觀測(cè)技術(shù)的提高，特別是深海激光原位拉曼光譜測(cè)量技術(shù)的問(wèn)世，使得可以在不改變被測(cè)物溫壓狀態(tài)的情況下，完成對(duì)被測(cè)物組分和結(jié)構(gòu)的測(cè)量，這才得以在深海觀測(cè)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(cè)技術(shù)方面的進(jìn)步，超臨界二氧化碳才有被探測(cè)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(dòng)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(dá)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(lái)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(guó)“阿爾文號(hào)”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(kuò)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?xì)怏w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?chǎng)位貞浀?，?ldquo;科學(xué)”號(hào)科考船2016年深海熱液航次中，研究人員利用“發(fā)現(xiàn)”號(hào)深海ROV機(jī)器人上搭載的我國(guó)自主研發(fā)的深海激光拉曼光譜原位探測(cè)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(cè)系統(tǒng)采集了大量原位拉曼光譜，確定了所測(cè)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(cè)定超臨界二氧化碳噴口溫度約為95攝氏度，實(shí)驗(yàn)室模擬的超臨界二氧化碳拉曼譜峰與深海原位測(cè)定的一致，進(jìn)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(shuō)有兩個(gè)，一個(gè)假說(shuō)認(rèn)為，地球生命起源于地球原始大氣放電，另一個(gè)假說(shuō)則認(rèn)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(jiǎng)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?dú)獾确旁诔槌烧婵盏牟Ａx器中，使用一個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果寫(xiě)成論文，并公諸于世，立刻引起轟動(dòng)，世界各國(guó)科學(xué)家紛紛仿效。

“但是很多研究認(rèn)為地球和其他類地行星的原始大氣是以二氧化碳和氮?dú)鉃橹鞯摹＜疵桌諏?shí)驗(yàn)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(diǎn)認(rèn)為深海熱液系統(tǒng)是生命起源的場(chǎng)所。”孫衛(wèi)東說(shuō)，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(rèn)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(shuō)中最致命的問(wèn)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?dú)饨M分。”孫衛(wèi)東表示，這不僅解決了熱液生命起源假說(shuō)中氮來(lái)源的問(wèn)題，同時(shí)具備諸多特性的超臨界二氧化碳還為早期地球從無(wú)機(jī)到有機(jī)的過(guò)程提供了絕佳的反應(yīng)介質(zhì)。

張?chǎng)谓榻B，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(jī)物質(zhì)?？紤]到超臨界二氧化碳在甲酸、氨基酸等有機(jī)合成中的重要作用，研究團(tuán)隊(duì)推測(cè)這些未知的有機(jī)物很有可能與氨基酸合成相關(guān)。

由此，該項(xiàng)發(fā)現(xiàn)也帶來(lái)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(shí)的原始大氣中含有數(shù)百大氣壓的水蒸氣和超過(guò)一百大氣壓的二氧化碳，以及氮?dú)獾?。在原始海洋形成后，?dāng)溫壓條件大于31攝氏度和73個(gè)大氣壓時(shí)，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(jìn)一步解釋，“在水圈與大氣圈的交界面上，氮?dú)夂偷V物微?？梢员怀砻艿某R界二氧化碳所吸附。超臨界二氧化碳、水、氮?dú)庠诘V物顆粒的催化下，完成了從無(wú)機(jī)到有機(jī)的轉(zhuǎn)化，并產(chǎn)生了生命體必須的氨基酸等有機(jī)大分子。”