青岛
近日，中国科学院海洋研究所深海中心孙卫东课题组在生命起源领域取得重要进展。团队利用高温高压实验证明了氮气可以快速参与蛇纹石化过程并生成大量氨气，结合团队前期研究，证明了地球早期在岩浆海后期，蛇纹石化导致地球大气由“二氧化碳+氮气”转变为“氨气+甲烷”，在闪电作用下可以合成大量氨基酸，在超临界水+二氧化碳层形成氨基酸浓汤，是生命起源的关键。相关研究成果发表在Science Bulletin。
生命起源问题是自然科学最重要的科学问题之一，对研究宜居星球和发现地外生命具有重要指导意义。著名的米勒-尤列（Miller-Urey）实验在1953年证明甲烷（CH₄）、氨气（NH₃）、氢气（H₂）和水蒸气在电火花作用下可以产生大量氨基酸，迈出了从无机物到生命所需有机物的第一步。由于氨基酸在生命过程中不可或缺，因此这一反应被认为是生命起源最重要的前置反应之一。然而，传统认为冥古代地球大气主要成分是二氧化碳（CO₂）和氮气（N₂），缺乏甲烷和氨气。相比于以甲烷和氨气为主的还原性大气，在中性大气里氨基酸合成效率将大大降低，米勒-尤列反应受到限制，氨基酸能否在原始大气中大量合成存在争议。
Miller-Urey实验示意图。氢气、甲烷、氨气和水蒸气在放电条件下合成氨基酸（如甘氨酸、丙氨酸等）
针对冥古代地表氨基酸合成缺乏关键原料——氨这一问题，孙卫东课题组进行了蛇纹石化合成氨的高温高压水热实验，研究“橄榄岩-水-氮气（-二氧化碳）”体系在冥古代地表温压条件下的反应，以此证明氮气参与蛇纹石化合成氨过程，进而对生命起源过程中氨的来源提供启示。
研究结果显示，在250-350 °C和19-28 MPa条件下，橄榄岩与水之间发生蛇纹石化反应产生蛇纹石和氢气（2Fe²⁺ + 2H₂O = 2Fe3+ + H₂ + 2OH-），每克橄榄岩对应的产氢量在30天内从0上升至100-200 μmol。进一步地，氮气与蛇纹石化的产物之一的氢气发生合成氨反应（3H₂ + N₂ = 2NH₃）。氨的产量受到温压条件和二氧化碳加入与否的显著影响，在无二氧化碳参与的实验中，250 °C和28 MPa为合成氢气和氨最快的温压条件，而在加入二氧化碳的实验中，氨的转化率得到显著提升。
该研究充分模拟了冥古代蛇纹石化过程：冥古代地球的地幔尚未发生壳幔分异，超过90%的地表覆盖为橄榄岩；同时在岩浆海阶段的末期，地表温度逐步下降到700 °C以下，有利于蛇纹石化过程发生；此外，冥古代大气含超1000 bar的水蒸气、超110 bar的二氧化碳和约2.6 bar的氮气，与实验的初始原料极为相近。研究证明，在冥古代地表可以广泛发生蛇纹石化合成氨过程，保守估算，该过程每年可以为地表系统提供超过10¹⁵ g数量级的氨。由于冥古代大气含有超过2.6 bar的氮气，而太古代大气中氮气分压最多不超过1.1 bar，蛇纹石化合成氨过程极有可能是导致原始大气中氮气丢失最重要的原因。
蛇纹石化实验氢气和氨的产率图
该研究揭示了蛇纹石化合成氨过程可以在冥古代地表广泛发生并产生大量氢气和氨，从而为氨基酸的合成提供原料。基于研究结果，提出在地表广泛的蛇纹石化作用下，氢气、甲烷和氨大量生成，在闪电作用下形成氨基酸浓汤，为生命起源提供了适宜环境，对于理解早期大气演化和前生物合成反应具有重要意义。
冥古代地表氨基酸浓汤形成的模型图
该研究为中国科学院海洋研究所与南方科技大学合作完成，中国科学院海洋研究所深海中心在读博士商修齐和南方科技大学前沿与交叉科学研究院黄瑞芳博士为论文共同第一作者，深海中心孙卫东研究员为通讯作者。该研究得到了中国科学院先导专项、国家自然科学基金等项目资助。
论文信息：Shang X.Q., Huang R.F., Sun W.D.*, 2023. Formation of ammonia through serpentinization in the Hadean Eon. Science Bulletin. 68 (2023), 1109-1112
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927323002
本文来源：中国科学院海洋研究所
