從蛇紋石到地外宜居環境 |申建勛等-Nature Astronomy

探尋地外宜居環境和生命信號是深空探測任務和行星科學研究的重要目標。我國國家空間科學中長期發展規劃（2024—2050年）中的“宜居行星”主題就主要探索太陽系天體和系外行星的宜居性，并開展地外生命探尋。尋找地外宜居環境和生命信號中“探哪里”、“探什么”和“如何探”是當前天體生物學研究的前沿。此前，國際上曾陸續提出將“水”、“碳”、“氮”、“磷”或“能量”等不同生命宜居要素，作為著陸區和探測區的遴選標準。然而，隨著探測技術和知識水平的不斷進步，近年來逐漸意識到單一的宜居要素難以準確評估支持生命起源和生存的宜居環境條件。

近日，我所地球與行星物理學科中心地球與行星磁場及宜居性學科組的申建勛博士后與合作導師林巍研究員、潘永信研究員，聯合我所巖石圈演化學科中心的劉傳周研究員，基于近年來國內外在地球和地外天體上蛇紋石化過程研究中取得的最新進展，提出指示多種宜居環境要素的蛇紋石有望成為地外宜居環境和生命信號探測的突破口。

蛇紋石化過程是一類特殊的水巖反應，是基性或超基性巖中的含鎂鐵礦物（如橄欖石、輝石等）在熱液蝕變下的變質作用，通常伴隨著與氣體之間的相互作用和釋放還原性氣體的過程（圖1）。根據對地球生命的認知，生命起源和生存至少需要液態水、生源要素、有機分子、適宜的理化條件等宜居要素。蛇紋石的出現不僅可以指示液態水的存在，還表明可能同時存在水合成的過程。橄欖石或輝石等礦物中的亞鐵離子提供了一個局部的強還原環境，為氮、磷等生命必需元素的活化和釋放創造了條件，同時生成氫氣、一氧化碳、甲烷、氨和亞磷酸等生命更易利用的物質。二氧化碳、甲烷、水汽和氫氣等氣體的溫室效應可能為一些寒冷天體（如火星、木/土星系冰衛星等）提供適宜生命起源和生存的局部溫暖環境，這個相對溫暖還原的環境還可以與天體表面或宇宙中的低溫氧化輻射環境形成天然的能量梯度，進而可能驅動更加復雜的化學過程甚至生命過程。

與蛇紋石化過程相關的甲烷、氨、氫氣和水可以通過米勒-尤里反應生成氨基酸、單糖、有機酸、尿素等有機分子。蛇紋石化過程的產物二氧化硅和磁鐵礦可能進一步促進單體有機分子（如氨基酸）的聚合反應以及手性分子的同手性起源。其中，磁鐵礦還可以記錄行星的化學剩磁，是重要的磁性載體。此外，形成蛇紋石的流體環境也可誘導碳酸鹽化過程的發生進而生成含鎂、鐵、鈣等金屬元素的碳酸鹽礦物（圖1），這些礦物不僅有利于碳的賦存，也為潛在的生命提供了碳源。同時，蛇紋石還具有保存有機質的潛力，地球上碳酸鹽化的蛇紋石甚至可以保存微生物化石。

圖1 蛇紋石化過程及其相關聯的水-巖-氣作用可以指示地外環境的宜居性

綜上所述，蛇紋石化過程的標志性產物——蛇紋石不僅指示了環境的多種宜居要素，而且具有保存過去生命痕跡的潛力。由于蛇紋石能夠在地質歷史時期長期保存，而且利用譜學技術可以進行遙感和原位探測，因此可以作為指示地外宜居環境和潛在生命信號的理想探測目標，在未來的深空探測任務中應予以重視。

上述研究發表于國際學術期刊NA（申建勛*，劉傳周，潘永信，林巍*. Follow the serpentine as a comprehensive diagnostic for extraterrestrial habitability [J].Nature Astronomy, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02373-x.）。研究受國家自然科學基金、中國博士后科學基金、中國科學院地質與地球物理研究所等聯合資助。

編輯：劉強