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10亿次雷击点燃地球早期生命演化的电火花

时间: 2021年03月26日 | 作者: Admin | 来源: 原理
计算机模拟显示,早期地球每年有10亿到50亿次闪电,其中会有1亿到10亿次击中地面。这样固定的闪电频率能为地球提供足够的可溶性磷,为生命发生带来可能。



(领研网导读)磷元素是生命形成的必需成分,但在地球生命开始演化时(约45亿-35亿年前),大多数磷元素以不溶性矿物形式被锁在地球表面的岩石中。过去的理论认为,可溶性磷来自陨石中的陨磷铁镍矿,但在生命演化早期,陨石掉落的频率并不高。一项发表于《自然·通讯》的新研究认为,地球上的可溶磷源于闪电熔岩,当雷电击中并熔化地表岩石,会将一些不溶性磷矿物转化为可溶性的磷源,并储存在岩石中。


破解地球上的生命起源之谜,一直是科学家所面临的最复杂、最具挑战的难题之一。因为它不仅需要我们识别出那些数不尽的能创造出可自我复制的有机体的化学反应,还需要找到每个这样的反应所涉及的化学成分的现实来源。


一直以来,有这样一个问题一直困扰着研究生命起源的科学家,那就是磷元素的来源。目前的主流观点认为,地球上的生命可能起源于35亿年前,而磷元素,则是生命出现的关键元素之一——DNA、RNA、磷脂、ATP等生物分子,都与磷元素息息相关。


虽然磷元素分布广泛,但大约在40亿年前的早期地球上,陆地上的几乎所有磷元素都以磷酸盐的氧化形式存在。它们被困在如磷灰石等基本不溶于水的且化学性质不活泼的矿物之中。这意味着在那时,磷元素虽然存在,但它们无法以生命所需的化合物的形式存在。


而与之相反的是,如以磷铁石形式存在的还原性的磷则具有很强的化学活性。当磷铁石遇水时,会形成活性的水合磷酸盐,这些化合物能够形成一些关键的有机分子,如甘油磷酸盐、核苷和胆碱磷酸,以及一些包括次磷酸盐和亚磷酸在内的含磷中间产物。因此,磷铁石被科学家视为是一种为地球生命的出现合成有机磷酸盐分子的来源。


磷铁石常见于陨石中。一直以来,科学家一般认为,陨石是磷铁石的主要来源,其他的磷铁石来源是微不足道的。在一项新发表于《自然通讯》的研究中,研究人员发现,雷击同样可以提供活性磷。这意味着,在地球生命出现之前,由雷击持续产生的活性磷或许促进了陆地生命的生长,且这样的情形也有可能发生在其他类地行星上。


那么,研究人员是如何意识到,雷击或许是产生生命所必需的活性磷的另一种来源呢?


这源自于论文的作者在开始时正在研究一块巨大而原始的闪电管石样本。闪电管石是一种当雷击击中地面时所产生的玻璃结构岩石。研究所使用的岩石样品是由2016年发生在美国伊利诺斯州的雷击形成的。通过分析,研究人员发现了大量非比寻常的含磷矿物——磷铁石。


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发掘过程中的闪电管石样本,图中的尺子长度为15厘米。| 图片来源:Benjamin Hess et. al.


为了确认这些磷铁石是否是由雷击产生,他们估算了从地球形成之时(约45亿年前)到有最早的生命化石记录(约35亿年前)这段时间里由雷击产生的磷的量。要做到这一点,他们需要对三个量进行计算:


每年形成的闪电管石的量;

地球早期岩石中的磷含量;

雷击可以让多少磷转化为可用的磷。


由于闪电管石是由雷击击中地面时产生的,因此研究人员首先需要计算出雷击的次数。大气中的CO₂含量可用来估计全球温度,是一个与雷暴频率紧密相关的关键因素。所以,他们查看了地球早期大气中对CO₂含量的估计值,以及对应于不同的CO₂含量的雷击次数估计值。


结果发现,在早期的地球上,每年的雷击次数在1亿到10亿次之间,每一次雷击都会形成一块闪电管石。总的来说,在地球历史的前十亿年里,可能形成的闪电管石数量多达10¹⁸块。


此外,研究人员知道,早期地球很可能是由类似玄武岩的岩石组成的,因此他们利用这些超过35亿年的岩石,测定了磷的平均含量。接着,他们利用实验中的闪电管石样本,以及其他已发表的闪电管石研究,计算出有多少磷铁石或类似形式的磷能通过雷击产生。


通过综合所有这些,研究人员最终计算得出,每一年由雷击产生产生的可用于有机反应的磷可高达10000千克。



发掘后闪电管石样本,总共重约30千克。| 图片来源:Benjamin Hess et. al.


如此算来,在大约35亿年前当生命起源之时,雷击所提供的活性磷可能和陨石提供的一样多。因此,很可能是雷击和陨石的撞击,共同为地球提供了生命诞生所需的磷元素。


研究人员认为,这样的结果表明,雷击也可能为其他类地行星上的生命出现提供磷。与陨石的撞击相比,雷击是一种更加可持续的磷来源。因为随着时间的推移,太阳系中的剩余物质与行星的碰撞会导致太阳系中的大型陨石丰度呈指数下降。因此,陨石虽然能为一颗行星在早期提供生命所需的大量可用的磷,但它们的数量却会迅速减少;而相较之下,雷击能稳定地带来活性磷。


新的研究为其他行星上的生命形成条件带来了新线索。它意味着,任何一颗行星具有活跃的、能产生雷击的大气层,都有可能随时存在着孕育生命所需要的磷。


#创作团队:

编译:小雨

#参考来源:

https://theconversation.com/origin-of-life-lightning-strikes-may-have-provided-missing-ingredient-for-earths-first-organisms-157343

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21849-2

http://www.leeds.ac.uk/news/article/4790/lightning_strikes_played_vital_role_in_origins_of_life_on_earth