干洗店用的一種東西，居然跟生命起源有關(guān)？

作者：李連福，孫衛(wèi)東，張?chǎng)危ㄖ袊?guó)科學(xué)院海洋研究所）

文章來源于科學(xué)大院公眾號(hào)（ID：kexuedayuan）

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說到生命起源你會(huì)想到什么？女媧造人的神話還是“原始湯”理論？好像都有點(diǎn)神秘而遙遠(yuǎn)……

其實(shí)，在咖啡店、干洗店等地方，有一種東西，就跟生命起源有關(guān)系。

（圖片來源：veer圖庫(kù)）

它，就是超臨界二氧化碳。

超臨界二氧化碳：能溶天下難溶之物

超臨界態(tài)是物質(zhì)在高于臨界溫度和臨界壓力下的一種特殊狀態(tài)，超臨界狀態(tài)下的流體既不是氣體，也不是液體，但它卻同時(shí)兼?zhèn)錃怏w和液體的理化性質(zhì)。當(dāng)二氧化碳所處的溫壓條件達(dá)到或超過31℃和7.3 MPa時(shí)，就將以超臨界二氧化碳流體形式存在。

超臨界二氧化碳具備較強(qiáng)的溶解能力和諸多反應(yīng)特性，已被廣泛應(yīng)用在化工反應(yīng)和分離提純領(lǐng)域中。超臨界二氧化碳可以定向萃取不同的分子，例如：去除咖啡豆中的咖啡因；自苦味花中萃取出可放在啤酒內(nèi)的啤酒香氣成分；獲得純度較高的植物油脂、維生素E等物質(zhì)。由于傳統(tǒng)干洗劑具有一定毒性，超臨界二氧化碳也被應(yīng)用到紡織衣物和半導(dǎo)體等產(chǎn)品的干洗行業(yè)中。

你以為超臨界二氧化碳只能在干洗店和化學(xué)實(shí)驗(yàn)室有用？naive，它可能是生命起源的重要一環(huán)！

日前，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及深海中心的研究人員在深海熱液區(qū)首次觀測(cè)到超臨界二氧化碳流體的噴發(fā)。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，這為生命起源以及初始有機(jī)質(zhì)的形成提供了新的啟示。該成果近日以封面文章的形式在綜合類權(quán)威期刊《科學(xué)通報(bào)》英文版（Science Bulletin）上正式發(fā)表（圖1）。

圖1：《科學(xué)通報(bào)》第65卷11期封面（圖片來源：作者提供）

深海里的超臨界二氧化碳，溶解了什么？

在2016年“科學(xué)”號(hào)的熱液航次中，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所的研究人員利用我國(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)（1400 m）發(fā)現(xiàn)了具有超臨界二氧化碳流體噴發(fā)的熱液噴口（圖2）。同時(shí)利用熱液溫度探針對(duì)該區(qū)域的熱液噴口和超臨界二氧化碳噴口進(jìn)行了探測(cè)。測(cè)量結(jié)果表明超臨界二氧化碳噴口溫度約為95°C，已經(jīng)超過了二氧化碳的臨界條件（31°C，7.3MPa）。

圖2：超臨界二氧化碳流體噴發(fā)位置及原位拉曼光譜探測(cè)（圖片來源：作者提供）

為了進(jìn)一步確定深海熱液區(qū)噴出的二氧化碳流體的相態(tài)，研究人員利用實(shí)驗(yàn)室的深海極端環(huán)境模擬系統(tǒng)對(duì)不同溫壓條件下的二氧化碳進(jìn)行了測(cè)量（圖3），發(fā)現(xiàn)在深海熱液區(qū)原位獲取的二氧化碳拉曼譜峰在頻移、半峰寬等光譜參數(shù)上與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量的超臨界二氧化碳是完全一致的，進(jìn)一步確認(rèn)了深海熱液區(qū)噴發(fā)二氧化碳的超臨界相態(tài)。

圖3 深海原位采集的二氧化碳流體與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)不同相態(tài)二氧化碳流體的拉曼光譜特征對(duì)比。其中紅色的光譜線為在深海熱液區(qū)采集到的超臨界二氧化碳流體的拉曼光譜；粉色的光譜線為在實(shí)驗(yàn)室相同溫壓條件下采集的超臨界二氧化碳的拉曼光譜；而綠色和藍(lán)色的光譜線則是在實(shí)驗(yàn)室采集的液態(tài)和溶解態(tài)二氧化碳的拉曼光譜（圖片來源：作者提供）

在深海熱液區(qū)原位獲取的超臨界二氧化碳流體的拉曼光譜中不僅含有甲烷、硫化氫、硫酸根等組分的拉曼特征峰，還含有大量的氮?dú)庖约岸鄠€(gè)未知組分的拉曼峰，這很可能為早期地球生命起源提供了新的線索。

單從拉曼光譜信息上很難確定未知峰對(duì)應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)，但是拉曼特征峰的峰位可以反映化學(xué)鍵的信息。對(duì)拉曼特征峰的分析表明，這些未知峰大多與C-H、C-C、C-N、N-H有關(guān)（圖4），這證明沖繩海槽南部熱液區(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，這些未知的有機(jī)物很有可能與氨基酸合成相關(guān)。

生命可能起源于熱液？

早期生命起源與初始有機(jī)質(zhì)的形成一直是科學(xué)界關(guān)注的重要命題。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，之前的研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)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假說最致命的問題。

而此次在沖繩海槽南部熱液區(qū)發(fā)現(xiàn)的超臨界二氧化碳流體不僅解決了氮的來源問題，而且為早期地球從無機(jī)到有機(jī)的過程提供了絕佳的反應(yīng)介質(zhì)。超臨界二氧化碳流體兼具了氣體與液態(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，這可以極大的提高反應(yīng)的速率，因此被廣泛用做有機(jī)合成反應(yīng)的介質(zhì)。已有的研究表明天然礦物比如孔雀石、金縷石、紅柱石等在超臨界二氧化碳的參與下可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝У拇呋瘎┯糜诠I(yè)甲醇的合成以及低溫煤氣的轉(zhuǎn)化[1,2,3]。近期也有實(shí)驗(yàn)表明在超臨界二氧化碳和礦物的參與下，從H2O-CO2-N2體系中可以合成四種氨基酸，包括丙氨酸、甘氨酸、天冬氨酸和精氨酸。

基于在熱液區(qū)發(fā)現(xiàn)的超臨界二氧化碳流體以及其中含有的大量氮?dú)夂陀袡C(jī)質(zhì)的現(xiàn)象，研究人員提出了一個(gè)新的早期地球生命起源模型（圖4）：

圖4：早期地球初始有機(jī)質(zhì)形成模型（圖片來源：作者提供）

月球形成后的幾百萬年間，地球的原始大氣逐步形成。此時(shí)的原始大氣中含有大量的水蒸氣、二氧化碳、氮?dú)庖约吧倭康囊谎趸?、氫氣等還原性氣體。原始海洋形成后，原始大氣的成分變成了以二氧化碳和氮?dú)鉃橹鳌．?dāng)溫壓條件大于31°C和7.3 MPa時(shí)，二氧化碳將以超臨界流體相態(tài)存在，因此在此時(shí)的地球表面以上存在超臨界態(tài)的二氧化碳層。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界二氧化碳流體所吸附。超臨界二氧化碳、水、氮?dú)庠诘V物顆粒的催化下，形成了初始的有機(jī)物氨基酸等物質(zhì)。

超臨界二氧化碳 還有多少謎團(tuán)等待解開

本次在深海熱液區(qū)的神奇發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)展了人們對(duì)熱液系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也為地球早期生命起源的研究提供了新的啟示，但仍有很多疑問等待解答，比如新的早期地球生命起源模型中的氨基酸形成的具體機(jī)制是什么？超臨界態(tài)二氧化碳在地球早期初始有機(jī)質(zhì)形成過程中發(fā)揮的具體作用是什么？今后科學(xué)家將通過實(shí)驗(yàn)室模擬的手段一一解答這些科學(xué)問題。

文章信息：Zhang, X., Li, L. F., Du, Z. F., Hao, X. L., Cao, L., Luan, Z. D., ... & Sun, W. D. (2020). Discovery of supercritical carbon dioxide in a hydrothermal system. Science Bulletin.

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