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近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院的郝記華研究員與美國(guó)西南研究員的ChristopherGlein研究員等學(xué)者合作，構(gòu)建模擬土衛(wèi)二海水化學(xué)，發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二水體中含有很豐富的溶解態(tài)磷酸根，可以支持潛在微生物的起源與繁盛。相關(guān)研究成果以“Abundant phosphorus expected for possible life in Enceladus’socean”發(fā)表在國(guó)際一流學(xué)術(shù)期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences，USA》上。該發(fā)現(xiàn)首次揭示了生命關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素磷在土衛(wèi)二冰下海洋中可以積累較高濃度，填補(bǔ)了土衛(wèi)二海洋宜居性研究的重要空白。

圖1.卡西尼號(hào)觀測(cè)到的土衛(wèi)二冰殼上的老虎紋（左）和南極的水冰羽（右）

土衛(wèi)二是土星的一顆天然衛(wèi)星，體積較小，表面被厚厚的冰層覆蓋。傳統(tǒng)研究認(rèn)為，土衛(wèi)二等冰衛(wèi)星的內(nèi)部能量太少，不足以支撐其內(nèi)部長(zhǎng)期存在液態(tài)水體。但1980年左右，美國(guó)宇航局(NASA)通過旅行者號(hào)（Voyager）I和II觀測(cè)到土衛(wèi)二表面非常光滑，且隕石坑密度在空間上相差很大，暗示其有活躍的水動(dòng)力活動(dòng)。2005年，NASA的卡西尼號(hào)(Cassini)號(hào)探測(cè)器通過更高分辨率的近軌觀察，發(fā)現(xiàn)土衛(wèi)二表面有豐富的老虎紋（Tiger Stripes），并且首次在南極地區(qū)拍攝到水冰羽（Water plume），證實(shí)了冰下海洋的存在。隨后，卡西尼號(hào)掠過了土衛(wèi)二的水冰羽，并對(duì)其化學(xué)組分進(jìn)行分析，結(jié)果證明其有豐富的無機(jī)和有機(jī)構(gòu)成，包括Na+、K+、Cl-、HCO3-、CO32-等無機(jī)鹽以及C1-C6的有機(jī)物。NASA將土衛(wèi)二視為最有可能發(fā)現(xiàn)微生物活動(dòng)的地外星體（之一）。

圖2.2008年美國(guó)Cassini號(hào)對(duì)土衛(wèi)二噴出物的分析（Waiteet al., 2009, Nature）

目前，科學(xué)家已經(jīng)在土衛(wèi)二海水中發(fā)現(xiàn)了豐富的碳、氫、氧、氮及少量的硫，但對(duì)于生命六大基本構(gòu)成元素之一的磷仍然沒有相關(guān)報(bào)道。在地球表面水體中，磷往往以正磷酸（HxPO4(3-x)-）的形式存在，且溶解度極低，因此被普遍認(rèn)為是限制生命起源和生物生產(chǎn)力規(guī)模的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素。不同于地球海水，土衛(wèi)二海水被認(rèn)為是堿性（pH = 8.5 - 11）且還原性（含有大量的H2）。這種迥異的海水化學(xué)到底會(huì)對(duì)磷化學(xué)產(chǎn)生什么影響呢？土衛(wèi)二海洋中的磷元素會(huì)不會(huì)是限制其生命宜居性的關(guān)鍵？

針對(duì)上述關(guān)鍵科學(xué)問題，郝記華研究員領(lǐng)銜的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)，通過對(duì)Cassini已發(fā)表數(shù)據(jù)的解讀，設(shè)置土衛(wèi)二冰下海洋環(huán)境的邊界條件，構(gòu)建水-巖相互作用模型，模擬土衛(wèi)二海水化學(xué)。結(jié)果表明，即使海水呈現(xiàn)還原性，磷依然主要以正磷酸鹽（HPO42-）形式存在，其他磷形態(tài)（包括有機(jī)磷）不穩(wěn)定。此外，土衛(wèi)二海水中溶解的HPO42-可以達(dá)到10-5至10-3molal，遠(yuǎn)高于地球海水中的含量（10-7molal）。這主要是由于土衛(wèi)二海水堿性且高碳酸根的特征導(dǎo)致堿土及過渡金屬元素含量很低，從而提高了磷酸鹽礦物的溶解度。類似的現(xiàn)象也可以在地球上很多堿性且高碳酸根的湖泊中發(fā)現(xiàn)。此外，研究團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了水-巖相互作用的動(dòng)力學(xué)模型，證明海水對(duì)土衛(wèi)二核部的交代過程可以快速地釋放大量磷酸根，在105年之內(nèi)達(dá)到10-3molal。相比來說，土衛(wèi)二的海洋被認(rèn)為已經(jīng)存在了108-109年，遠(yuǎn)久于溶解反應(yīng)達(dá)到平衡所需的時(shí)間。

圖3.土衛(wèi)二海水邊界條件（灰色陰影部分）下較高的磷酸根溶解度。左右兩圖分別指示高氟和無氟兩種極端邊界條件下的溶解度特征。

圖4. 不同邊界條件下，土衛(wèi)二海水交代核部巖石釋放1mM磷酸根所需的時(shí)間。

上述發(fā)現(xiàn)首次揭示了土衛(wèi)二海水中有比較高的溶解態(tài)磷。結(jié)合前人的研究，土衛(wèi)二海水中將含有豐富的六大生源元素（CHONPS），有利于生命的起源和微生物的生存。本研究成果彌補(bǔ)了土衛(wèi)二海水宜居性研究的空白，為未來發(fā)射冰衛(wèi)星載荷，探測(cè)土衛(wèi)二海洋中可能的生命信號(hào)提供了科學(xué)參考。此外，本研究構(gòu)建的土衛(wèi)二水-巖相互作用模型未來也可以應(yīng)用到研究其他營(yíng)養(yǎng)元素以及其他冰衛(wèi)星海洋。

圖5.土衛(wèi)二海水交代核部巖石釋放大量磷酸根的示意圖。

本研究受到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFA0718200）、中科院人才項(xiàng)目入選者計(jì)劃-青年項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)“雙一流”建設(shè)經(jīng)費(fèi)以及CIFAR Azrieli Global Scholarship等項(xiàng)目的支持。本文的第一和通訊作者為郝記華研究員，共同通訊作者為Christopher Glein研究員；第一和通訊單位為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)。

全文鏈接：https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2201388119

（地球和空間科學(xué)學(xué)院、科研部）