氢气可以渗入岩石,为细菌提供食物。 另一个在其他世界寻找生命的地方。

旋转 Google 地球,直到您俯视阿曼这个国家。 那个国家的古老岩石是一项新研究的背景,它对我们寻找生命的影响。 水与这块岩石反应产生氢气,这可能是细菌的能源。 这会发生在其他世界吗?

像欧罗巴这样的海洋卫星可能是我们在其他地方寻找生命的最佳选择。 这就是为什么 NASA 正在开发 Europa Clipper 任务,而 ESA 正在开发 木星冰月探测器 使命。 但是探测木卫二海洋中的生命——或生命的条件——需要特定的方法和仪器,因为海洋被埋在数公里的冰层之下。 像这样的研究可以帮助为仪器和任务设计提供信息,并可以为解释前往木卫二和其他地方的任务结果提供有价值的背景。

该研究是“在阿曼 Samail 蛇绿岩蛇纹石化流体沉积物中检测到的氢营养生物的能量信息生态位模型,”并发表在 JGR Biogeosciences 上。 主要作者是阿尔塔豪厄尔斯,现在在美国宇航局的艾姆斯研究中心。

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蛇绿岩是地球海洋地壳的一部分和下面的上地幔的一部分。 当它升到海平面以上并暴露时,它是一种蛇绿岩。 蛇绿岩经常嵌入大陆地壳中。

萨迈尔蛇绿岩 是阿拉伯半岛著名的地质地貌。 它是世界上最大、保存最完好的蛇绿岩,形成于地球晚白垩纪时期,从大约 65 到 100 米不等。 它因其铜矿石而具有商业价值,但它也具有科学价值,因为它向科学家们讲述了地球的地质历史。

这张图片显示了 Semail 蛇绿岩在阿拉伯半岛东角的位置。 图片来源:Sadeghm2010 在英语维基百科,CC BY-SA 3.0,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=54524205
这张图片显示了 Semail 蛇绿岩在阿拉伯半岛东角的位置。 图片来源:Sadeghm2010 在英语维基百科,CC BY-SA 3.0,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=54524205

Semail 蛇绿岩在这项研究中很重要,因为它包含了上地幔岩石的一部分。 来自上地幔的岩石减少了,这意味着岩石中缺乏氧气。 如果可用的话,岩石中有更多的离子位点可以与氧气发生反应。 为了 example,有比三价铁更多的亚铁,因为没有足够的氧气与所有的铁结合。 这导致大量岩石基本上“等待”氧气填充其所有离子位点。

这就是 Semail Ophiolite 正在发生的事情。 它与水发生反应的过程称为 蛇纹石化. 蛇纹石化产生 H2,即分子氢。 H2 是称为氢营养菌的微生物的食物,它可以利用氧气对其进行代谢并将其用作能源。

研究中的这张图表显示了阿曼蛇绿岩的岩性。 研究地点标有 SJA-03、WDA-17 等。图片来源:Howells et al 2022。
研究中的这张图表显示了阿曼蛇绿岩的岩性。 研究地点标有 SJA-03、WDA-17 等。图片来源:Howells et al 2022。

有不同类型的氢营养菌,它们形成氢营养菌群落。 在这项研究中,研究人员希望“……确定可能影响氢营养菌群落组成的地球化学和生物因素……”为此,他们研究了“……阿曼蛇纹石化流体池中氢营养菌的分布与化学能源供应之间的关系被他们的新陈代谢所利用。”

研究人员发现,化学环境限制了不同氢营养菌的分布。 他们专注于产甲烷菌,它们是产生甲烷的氢营养菌。 产甲烷菌对 O2 有毒性反应,这限制了它们在相对缺氧地区的传播。 该团队描述了“……能量和底物的环境阈值……”,这可能会限制产甲烷菌和氢营养菌的生存。

这些是阿曼蛇绿岩中一些样本点的图片。  (A) 显示地表水流经蛇纹石化流体。  (B) 显示相同的东西,地表水是棕色的。 白色是由于碳酸盐沉淀而呈白色的蛇纹状流体。  (C) 显示地表水滴定到蛇纹石化流体中。  (D) 仅显示蛇纹石化流体。 它的 pH 值超过 11.5,是 example 富含氧气的超碱性液体。 图片来源:豪厄尔斯等人。  2022 年。
这些是阿曼蛇绿岩中一些样本点的图片。 (A) 显示地表水流经蛇纹石化流体。 (B) 显示相同的东西,地表水是棕色的。 白色是由于碳酸盐沉淀而呈白色的蛇纹状流体。 (C) 显示地表水滴定到蛇纹石化流体中。 (D) 仅显示蛇纹石化流体。 它的 pH 值超过 11.5,是 example 富含氧气的超碱性液体。 图片来源:豪厄尔斯等人。 2022 年。

这对像欧罗巴这样的海洋卫星以及我们对生命的探索意味着什么?

“据信,像蛇纹石化这样的过程可能存在于整个宇宙中,并且已经发现证据表明它可能发生在木星的卫星欧罗巴和土星的卫星土卫二上,”主要作者豪厄尔斯在一份新闻稿中说。

在这项研究中,研究人员发现并非所有以蛇纹石化为宿主的生态系统都可能支持产甲烷菌。 在没有产甲烷菌的地方,减少硫酸盐的生物可能会普遍存在。 这在任务设计中可能很重要,因为硫酸盐还原剂不会产生甲烷,而甲烷通常被认为是潜在的关键生物特征。

“由于硫酸盐还原剂不产生甲烷,这会对我们开发和部署的用于探测其他行星生命的任务的仪器产生重大影响,”豪厄尔斯说。

研究中的这张图表说明了蛇纹石化过程。 在地表,蛇纹石化的流体、周围的地表水和风暴径流可以混合,从而导致地球化学梯度。 插图显示了本研究中的一个地点,周围的地表水轻轻地混合到蛇纹石化的流体中。 图片由 Howells 等人提供。  2022
研究中的这张图表说明了蛇纹石化过程。 蛇纹石化的流体、周围的地表水和风暴径流可以在地表混合,导致地球化学梯度。 插图显示了本研究中的一个地点,周围的地表水轻轻地混合成蛇纹石化的流体。 图片由 Howells 等人提供。 2022

结果还涉及生命所需的能量以及它怎样影响我们在欧罗巴上的努力。 在 Semail 蛇绿岩中,生活在蛇纹石化流体中的产甲烷菌比淡水和海洋沉积物中的产甲烷菌需要更多的能量。 研究人员不确定为什么会这样,但这可能是由于蛇纹石化液体的高 pH 值,或者可能是由于二氧化碳含量低,这是他们的主要 电子受体.

产甲烷菌在蛇纹石化液体中对能量的需求也有助于为任务设计提供信息。

“对能量的需求是地球上所有生命的基础,”豪厄尔斯说。 “如果我们能够开发出以能源供应为参数的简单模型来预测地球上生命的发生和活动,我们就可以将这些模型部署到其他海洋世界的研究中。”

长期以来,科学家们一直在考虑在火星和欧罗巴等其他星球上进行蛇纹石化。 既然蛇纹石化在这里产生了生命的能源,那么它能否在木卫二上做同样的事情呢? 这是一个棘手但令人信服的问题。

2020 年的一项研究 关于其他世界的蛇纹石化,作者写道:“在欧罗巴,火山活动或蛇纹石化可能提供氢气作为 氧化还原 与月球表面产生的氧气相结合。” 我们还不知道木卫二上是否会发生蛇纹石化,但这是可能的。

欧罗巴有一个被海洋包围的岩石核心,上面覆盖着厚达 30 公里(19 英里)的冰。 科学家们知道木卫二表面有氧气,但含量并不多。 它来自木星大气中照射冰冷卫星表面的带电粒子。 如果氧气以某种方式穿过冰层进入海洋,它可能会接触到岩石核心。 但是必须将岩石还原以与氧气反应以产生氢气作为生命的能源。

这张图显示了欧罗巴的内部可能是什么样子。 图片来源:NASA/JPL-Caltech/Michael Carroll
这张图显示了欧罗巴的内部可能是什么样子。 图片来源:NASA/JPL-Caltech/Michael Carroll

但正如塞梅尔蛇绿岩向我们展示的那样,只有氧气含量低或还原的岩石才能蛇纹石化产生氢气。 在欧罗巴上,岩石的放射性衰变可能会使还原的岩石暴露在氧气中。 如果岩石热膨胀,那么微裂缝可能会为水中的氧气提供与还原岩石接触的机会。 “在这个整体地球物理模型中,”2020 年的论文指出,“放射性衰变导致的行星冷却意味着水随着时间的推移渗透到更深的深度,一直持续到现在。 比较计算得出的输送到木卫二海洋的氢气和地表产生的氧气,可以发现与地球相似的氧化还原通量。”

因此,至少有一些证据表明蛇纹石化可以为木卫二海洋中的微生物提供能源。 我们什么时候可以测试这些模型并加深我们对蛇纹石化的理解,尤其是在欧罗巴上?

美国宇航局的欧罗巴快船计划于 2024 年 10 月发射。但要到 2030 年 4 月才能到达木星并进入轨道。 如果获得批准,一个单独的着陆器任务可能会在 2025 年发射,因此到 3031 年左右,我们可能会从冰冷的海洋卫星表面收集数据。

ESA 的木星冰月探测器 (JUICE) 计划于 2023 年发射,并于 2031 年抵达木星。JUICE 将研究木星的三个卫星:木卫三、卡利斯托和欧罗巴。 它将收集欧罗巴的数据,但它的主要目标是太阳系最大的卫星木卫三。 木卫三也有一个地下咸水海洋。

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