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生命的硫元素,来自天堂还是地狱? 精选

已有 11709 次阅读 2013-9-16 10:56 |个人分类:科普荟萃|系统分类:科研笔记| 球粒陨石, 后增薄层

我记得当年进入大学上的第一节课是《环境地学》,随后在这门课中开始接触一些地质学概念,之后就很少再接触,慢慢也已经忘记得差不多了。本学期我接手了《现代生物科学导论》这门课,下周要讲的主要内容是有关生命化学与生命地球的,所以在备课中特别关注一些与此相关的材料。这不,上周Nature中的一篇文章[1]就被我选作了素材,本文就将以这个素材为主要线索进行介绍。

在介绍这个内容前,先科普几个概念:

(1)球粒陨石(chondrite):其母天体是一些细小的小行星,它们的体积不足以出现熔融和地质分化,所以这些小行星自45亿年前太阳系刚形成时就没有什么改变,也因此被认为是最能代表类地行星基本成分的一类陨石,在地质学研究中常被看做是否天外之物的标准。

(2)后增薄层假说(late-veneer accretion hypothesis):近30年来,这个假说一直是人们了解地球早期历史和人类起源的主导范式。核幔分异完成后,陨石频繁撞击地球,使约占现在地球质量0.5%%至1%%的球粒陨石加入地幔,造成地幔增生,也形成现在地幔中铂族元素的丰度和比值特征[2]

(3)亲铁元素(siderophile elements):具有较高的金属/硅酸岩分配系数,它们更倾向于分配到金属相。地核从地幔中发生分离时,地幔中的亲铁元素大多分配到地核中,而一些强亲铁元素几乎全部被带入地核[3]

近几年来,后增薄层假说颇受争议,挑战这个学说的实验和理论研究层出不穷,集中体现在对亲铁元素在地幔中的异常分配。但这些挑战本身仍然存在不少问题无法解释,所以最终也难于完全否定这个假说。与文献[1]同期发表在Nature上的研究认为[4]:大西洋下海脊岩石中硫同位素的指纹分析表明,地表很大一部分硫是在形成地球的核心中遗留下来的。从地幔中挖掘出的岩石中找到某元素的相对丰度和同位素标记是有指纹识别作用的,可告诉我们地球是如何获得以及在什么地方获得这个元素的。教科书告诉我们:地球上的硫与球粒陨石具有相同的同位素组成。但Labidi及其同事[4]对从地幔中开采的岩石进行测量,发现其同位素模式与之前所报道的不同,这暗示对地球形成的认识需要更新。

我们大多数人对地球化学成分的认识都是想当然的,自然条件下,地球上可找到90多种元素,但生命必需的元素只有28种(氢、 硼、碳、氮、氧、氟、钠、镁、硅、磷、 硫、氯、钾、钙、钒、铬、锰、铁、钴、 镍、铜、锌、砷、硒、溴、钼、锡和碘),这是构造地球生命的物质基础。在生命产生之初,只有独特的环境条件才能实现元素的正确混合,为生命的发展和繁荣提供物质基础。硫是合成蛋白质的重要生命元素,含硫氨基酸包括胱氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸,约占我们体重的0.2%。在28种生命元素中,有些元素也属亲铁元素,当地球含铁丰富的金属核心形成时,几乎清理完了所有的这些元素,留下一个缺乏硫、硒、碲和贵金属的岩石地幔。根据主流的后增薄层假说,地幔中能找到这些元素,是因为来自天堂的小行星雨进行的补充。之后增生的这种陨石也可能投递过来了一部分生命所必需的元素(氢、碳和氮),以及生命起源以前可作为生命种子的有机分子。

一个有趣的现象是,当地球科学家发现一些难以解决的地质问题时,如果与地外事件联系起来时,常常可以获得满意的解释,如地球-月球起源、生命最初的种子来源、地球上水的来源、恐龙遭受灭顶之灾、海进海退、磁极和大陆漂移,甚至现在的气候变化问题等等。其实,这种认识是有逻辑性的,因为地球本身就是由撞击和吸积众多星子增生而成的(图1),所以在研究一些复杂的地质难题时,不管是在地球早期 (撞击频繁) 还是晚期(撞击相对不频繁),地外撞击因素是不可忽略的[5]。因此,后增薄层假说其实也就是这种认识的一个缩影。也就是说,生命的硫元素,是来自天堂的。

有关地球硫起源的后增薄层假说其实还是有强大的观测证据的。首先,室内实验重现了核幔分离的条件,表明硫、硒、碲和贵重金属可被金属铁进行有效清除。第二,地幔中这些元素的比例与球粒陨石类似(图2)。第三,地幔岩石中硫的同位素组成与球粒陨石是相同的。但就是这第三点,受到了Labidi等的质疑。他们发现,地幔中硫-34和硫-32的比率为0.13%,是低于球粒陨石的。

图1 地球形成之初,来自天堂的陨石频繁撞击



图2 地幔和球粒陨石中元素的丰度[1]

这里所示的元素都是与金属铁具有很强亲和力的,并根据其活波程度排序。阴影区表示非贵重金属。数据用铝(Al)的丰度进行了归一化处理,因为铝元素既没有在地球的扩增损失到太空中,也没有在地核的形成中被金属铁所清除。数据还用太阳丰度进行了归一化处理,以防止这些元素的数值跨越多个数量级。“硅酸盐地球”模式显示出地幔的丰度,必须乘以一个系数300才能与球粒陨石数据进行比较。一般认为,这些元素在地球形成时被隔离到地球核心,但随后地幔从球粒陨石中得到补充——这就是为什么这些元素与球粒陨石具有相同的比率。但是Labidi等认为,地幔中约有一半多一点的硫在地核形成中被遗留了(黑色箭头),剩下的来自于球粒陨石;硫的上部(淡红色)代表地幔中的总丰度,下方代表地核形成时遗留下来的丰度。


为了得出这一结论,他们采用了一种分析方法,据称可比先前更完整地从岩石样本中恢复硫。他们所推断出的地幔和陨石之间的硫同位素比率的差异,近似符合实验室将硫区分为(类核)金属和(类幔)硅酸盐时所测定的差异。因此,这里吸引人的是,地幔中大部分(也许一半或更多)的硫源于地球深处,也就是说,它是地核形成中遗留下来的。也就是说,生命的硫元素,是来自地狱而不是天堂。如果这是正确的,就不需要用借助于说某个独特的环境来解释地表中硫的存在。此外,这个元素在类地行星中应该是无处不在的,这增加了有朝一日我们在探测太阳系外行星的大气中含硫分子的可能性。

地球是比较活跃的星体,内部有非常复杂的地质过程。地球内部部分岩石熔化形成了岩浆,俯冲带的地表岩石也可再循环进入地球内部,这就模糊了同位素信号,给我们的解析带来麻烦。Labidi及其同事确定了岩石中通过地幔熔化形成的两个明显含硫组分的同位素信号。其中一个含硫同位素成分与球粒陨石不同,他们解释这是代表地幔的;另一个硫同位素组成与球粒陨石相似,但是作者认为这是沉积物中硫的地质再循环过程。这个解释是合理的,但是有一个相关的问题是:这些组成能否代表其地幔来源。在岩浆形成和从地幔提取时,大量的硫化矿物可以保留下来作为岩浆的来源,可能会影响岩浆岩中硫同位素的比率。Labidi等用他们的结果反对这个解释,以前实验数据的不足,可从硫和硅酸盐熔体之间的硫同位素区分中得到,这至少确定了这种规则的可能性。在地幔中硒、硫和碲的相对丰度用于深入了解后增薄层的特点。这些相对丰度与碳质球粒陨石组成有最好的匹配,表明地球得到了富含挥发性化合物和有机分子的材料中的后增薄层。其他同位素证据表明,地球所获得的陨石材料的性质在地核形成之前和之后并不是非常不同的。如果Labidi及其同事是正确的,地幔中很大一部分硫是核心形成时遗留下来的,这就减少了有关富含挥发性物质的后增薄层的争议。


参考资料

[1] Sulphur from heaven and hell. Nature, 501: 175–176 (2013-09-12).

[2] 美科学家挑战地质学关键理论 (http://tech.sina.com.cn/d/2008-05-07/09452180626.shtml)

[3] 大洋橄榄岩强亲铁元素研究进展(http://news.sciencenet.cn/htmlpaper/20097301411181816800.shtm)

[4] Labidi et al., Non-chondritic sulphur isotope composition of the terrestrial mantle. Nature, 501: 208–211 (2013-09-12) doi:10.1038/nature12490

[5] 朱丹等,2003。亲铁元素异常 ——后增薄层模型。矿物岩石地球化学通报,22(1): 65-68.



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