地球上大部分生命必需的元素，包括你體內(nèi)的大部分碳和氮，可能來(lái)自另一個(gè)星球。萊斯大學(xué)(Rice University)的巖石學(xué)家在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)期刊上發(fā)表的一項(xiàng)新研究顯示，地球上的碳、氮和其他生命必需的揮發(fā)性元素，很可能是在44億年前的行星碰撞中形成。研究報(bào)告的合著者拉吉迪普·達(dá)斯古普塔(Rajdeep Dasgupta)說(shuō)：從對(duì)原始隕石的研究中，科學(xué)家們?cè)缇椭?，地球和太?yáng)系內(nèi)部其他巖石行星的揮發(fā)物都被耗盡了，但人們一直在熱烈討論這種不穩(wěn)定傳遞的時(shí)機(jī)和機(jī)制。我們的方案是第一個(gè)可以解釋時(shí)間和“交付”方式的方案，這種方式與所有地球化學(xué)證據(jù)一致。
博科園-科學(xué)科普：該證據(jù)是由Dasgupta實(shí)驗(yàn)室的高溫高壓實(shí)驗(yàn)組合而成，該實(shí)驗(yàn)室專門研究地球化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)發(fā)生在行星深處的高溫高壓環(huán)境中。在一系列實(shí)驗(yàn)中，該研究的主要作者、研究生達(dá)曼維爾·格里瓦爾(Damanveer Grewal)收集了證據(jù)，以檢驗(yàn)一個(gè)長(zhǎng)期存在的理論，即地球的揮發(fā)物來(lái)自于與一顆核心含硫豐富的胚胎行星的碰撞。
由于一系列令人困惑的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，除了地核以外，地球上所有地方都存在碳、氮和硫，所以這顆捐贈(zèng)行星的地核的硫含量很重要。地核不與地球其他部分相互作用，但它上面的一切，地幔、地殼、水圈和大氣，都是相互聯(lián)系的，它們之間的物質(zhì)循環(huán)。關(guān)于地球是如何接收揮發(fā)物的一個(gè)長(zhǎng)期觀點(diǎn)是“后期貼面”理論：
描述火星大小行星的形成(左)和它分化成一個(gè)有金屬核心和覆蓋硅酸鹽儲(chǔ)集層物體的示意圖。富硫巖心排出碳，產(chǎn)生高碳氮比的硅酸鹽。這顆行星與成長(zhǎng)中的地球(右圖)的碰撞形成了月球，這可以解釋地球擁有豐富的水和主要的生命要素，如碳、氮和硫，以及地球和月球之間的地球化學(xué)相似性。圖片：Rajdeep Dasgupta
即富含揮發(fā)物的隕石，即太陽(yáng)系外原始物質(zhì)的殘余物，是在地核形成之后到達(dá)地球。盡管地球揮發(fā)物同位素特征與這些被稱為碳質(zhì)球粒隕石的原始物體相匹配，但碳與氮的元素比率卻不高。地球的非核心物質(zhì)，地質(zhì)學(xué)家稱之為塊狀硅酸鹽地球，其碳與氮的比例約為40比1，約為碳質(zhì)球粒隕石20比1的兩倍。
Grewal實(shí)驗(yàn)?zāi)M了地核形成過(guò)程中的高壓和高溫，驗(yàn)證了一種觀點(diǎn)，即富含硫的行星地核可能排除碳或氮，或者兩者兼而有之，與地球相比，這些元素在大塊硅酸鹽中所占比例要大得多。在一系列溫度和壓力范圍內(nèi)的測(cè)試中，Grewal在三種情況下檢測(cè)了有多少碳和氮進(jìn)入了內(nèi)核:無(wú)硫、10%的硫和25%的硫。
氮基本上不受影響，相對(duì)于硅酸鹽，它仍可溶于合金中，只是在最高硫濃度下才開始從巖心中被排除。相比之下，碳在中等硫濃度的合金中溶解度要低得多，含硫合金的含碳量約為無(wú)硫合金的10倍。達(dá)斯古普塔、格里瓦爾和萊斯大學(xué)博士后研究員孫晨光利用這些信息，以及已知的地球和非地球物體中元素的比例和濃度，設(shè)計(jì)了一個(gè)計(jì)算機(jī)模擬程序，以找出產(chǎn)生地球揮發(fā)物的最可能場(chǎng)景。
找到答案需要改變初始條件，運(yùn)行大約10億個(gè)場(chǎng)景，并將它們與今天太陽(yáng)系的已知條件進(jìn)行比較。研究人員發(fā)現(xiàn)所有的證據(jù)（同位素特征、碳氮比以及硅酸鹽地球的碳、氮和硫的總量）都與月球形成的影響相一致，這種影響涉及到一顆含有揮發(fā)物的、火星大小的行星，其核心富含硫。
萊斯大學(xué)的科學(xué)家(左起)Gelu Costin、Chenguang Sun、Damanveer Grewal、Rajdeep Dasgupta和Kyusei Tsuno進(jìn)行的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，地球上的大部分碳、氮和其他生命必需元素很可能來(lái)自44億年前創(chuàng)造月球的行星碰撞，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。圖片：Jeff Fitlow/Rice University
達(dá)斯古普塔是美國(guó)國(guó)家航空航天局資助的“智慧行星”項(xiàng)目的首席研究員，該項(xiàng)目正在探索生命基本元素如何在遙遠(yuǎn)的巖石行星上聚集。達(dá)斯古普塔說(shuō)：這項(xiàng)研究表明，一顆巖石狀的類地行星，如果它是在巨大的撞擊中形成并成長(zhǎng)起來(lái)，那么它就有更多的機(jī)會(huì)獲得生命所必需的元素。這些撞擊可能來(lái)自于一顆原行星盤的不同部位，這些行星的構(gòu)造塊可能是不同的。
這消除了一些邊界條件，這表明生命必需揮發(fā)物可以到達(dá)行星的表層，即使它們是在經(jīng)歷了不同條件下的地核形成的行星上產(chǎn)生。地球上的大量硅酸鹽本身似乎無(wú)法達(dá)到產(chǎn)生生物圈、大氣層和水圈的生命必需的不穩(wěn)定平衡。這意味著可以擴(kuò)大對(duì)導(dǎo)致?lián)]發(fā)性元素聚集在一個(gè)星球上支持我們所知生命途徑的研究。
博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自：萊斯大學(xué)
參考期刊文獻(xiàn):《萊斯大學(xué)》
DOI: 10.1126/sciadv.aau3669
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