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，可能來自另一個星球。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。研究報告的合著者拉吉迪普·達(dá)斯古普塔(Rajdeep Dasgupta)說：從對原始隕石的研究中，科學(xué)家們早就知道，地球和太陽系內(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)定傳遞的時機(jī)和機(jī)制。我們的方案是第一個可以解釋時間和“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)驗室的高溫高壓實(shí)驗組合而成，該實(shí)驗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)，以檢驗一個長期存在的理論，即地球的揮發(fā)物來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)物的一個長期觀點(diǎn)是“后期貼面”理論：

• 描述火星大小行星的形成(左)和它分化成一個有金屬核心和覆蓋硅酸鹽儲集層物體的示意圖。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?zāi)M了地核形成過程中的高壓和高溫，驗證了一種觀點(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)的測試中，Grewal在三種情況下檢測了有多少碳和氮進(jìn)入了內(nèi)核:無硫、10%的硫和25%的硫。

氮基本上不受影響，相對于硅酸鹽，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)計了一個計算機(jī)模擬程序，以找出產(chǎn)生地球揮發(fā)物的最可能場景。找到答案需要改變初始條件，運(yùn)行大約10億個場景，并將它們與今天太陽系的已知條件進(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自44億年前創(chuàng)造月球的行星碰撞，這項發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。圖片：Jeff Fitlow/Rice University

達(dá)斯古普塔是美國國家航空航天局資助的“智慧行星”項目的首席研究員，該項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：這項研究表明，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起來，那么它就有更多的機(jī)會獲得生命所必需的元素。這些撞擊可能來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)大對導(dǎo)致?lián)]發(fā)性元素聚集在一個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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