在土星卫星土卫二的次表层海洋中发现生命的一个关键构件
据cnBeta：寻找地外生命的工作刚刚变得更加耐人寻味，因为由美国西南研究院的Christopher Glein博士领导的一组研究人员在土星卫星—土卫二（Enceladus）的次表层海洋中发现了生命的一个关键构件的新证据。根据新的建模，土卫二的海洋应该含有相当丰富的溶解磷，这是生命的一个关键成分。
地外海洋学方面的权威专家Glein说：“土卫二是人类在太阳系寻找生命的主要目标之一。”他是最近发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上的一篇描述这项研究的论文的共同作者。“自美国宇航局的卡西尼号航天器访问土星系统以来的几年里，我们一再被收集的数据所带来的发现所震惊。”
卡西尼号任务检测并分析了土卫二的液态水样本，当时冰粒和水蒸气从该卫星冰面的裂缝中迸发到太空。
Glein说：“我们所了解到的是，该羽流几乎包含了我们所知的生命的所有基本要求。虽然生物必需元素磷尚未被直接确定，但我们的团队发现了它在这颗卫星冰壳下的海洋中存在的证据。”
在过去的25年中，行星科学最重要的发现之一是，在我们的太阳系中，冰面层下有海洋的世界很常见。大行星的冰卫星，包括木卫二Europa、土卫六Titan和土卫二，以及像冥王星这样更遥远的实体，都是这种世界的例子。像地球这样有表面海洋的世界，必须与它们的主星保持在一个狭窄的距离范围内，以便保持适合表面液态水的温度。另一方面，内部水的海洋世界可能出现在更远的距离内，大大增加了整个银河系中预测存在的宜居世界的数量。
Glein说：“对太阳系中地外宜居性的探索已经转移了焦点，因为我们现在正在寻找生命的组成部分，包括有机分子、氨、含硫化合物以及支持生命所需的化学能量。磷是一个有趣的例子，因为以前的工作表明，它在土卫二的海洋中可能是稀缺的，这将使生命的前景黯淡。”
以磷酸盐形式存在的磷对地球上的所有生命都至关重要。它是创造DNA和RNA、载能分子、人和动物的细胞膜、骨骼和牙齿，甚至海洋中的浮游生物的微生物群所必需的。
团队成员进行了热力学和动力学建模，根据卡西尼号对土卫二的海洋-海底系统的见解，模拟了磷的地球化学。在研究过程中，他们建立了迄今为止最详细的地球化学模型，说明海底矿物如何溶解到恩克拉多斯的海洋中，并预测磷酸盐矿物在那里会有异常的可溶性。
Glein说：“基础地球化学有一种优雅的简单性，使得溶解磷的存在不可避免，达到接近甚至高于现代地球海水的水平。这对天体生物学意味着什么，我们可以比以前更有信心，恩克拉多斯的海洋是可居住的。”
根据Glein的说法，下一步的计划很清楚：“我们需要回到土卫二，看看宜居海洋是否真的有生命居住”。
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据中国科大新闻网：近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院的郝记华研究员与美国西南研究员的ChristopherGlein研究员等学者合作，构建模拟土卫二海水化学，发现土卫二水体中含有很丰富的溶解态磷酸根，可以支持潜在微生物的起源与繁盛。
相关研究成果以“Abundant phosphorus expected for possible life in Enceladus’socean”发表在国际一流学术期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences，USA》上。该发现首次揭示了生命关键营养元素磷在土卫二冰下海洋中可以积累较高浓度，填补了土卫二海洋宜居性研究的重要空白。
土卫二是土星的一颗天然卫星，体积较小，表面被厚厚的冰层覆盖。传统研究认为，土卫二等冰卫星的内部能量太少，不足以支撑其内部长期存在液态水体。但1980年左右，美国宇航局(NASA)通过旅行者号（Voyager）I和II观测到土卫二表面非常光滑，且陨石坑密度在空间上相差很大，暗示其有活跃的水动力活动。2005年，NASA的卡西尼号(Cassini)号探测器通过更高分辨率的近轨观察，发现土卫二表面有丰富的老虎纹（Tiger Stripes），并且首次在南极地区拍摄到水冰羽（Water plume），证实了冰下海洋的存在。随后，卡西尼号掠过了土卫二的水冰羽，并对其化学组分进行分析，结果证明其有丰富的无机和有机构成，包括Na+、K+、Cl-、HCO3-、CO32-等无机盐以及C1-C6的有机物。NASA将土卫二视为最有可能发现微生物活动的地外星体（之一）。
目前，科学家已经在土卫二海水中发现了丰富的碳、氢、氧、氮及少量的硫，但对于生命六大基本构成元素之一的磷仍然没有相关报道。在地球表面水体中，磷往往以正磷酸（HxPO4(3-x)-）的形式存在，且溶解度极低，因此被普遍认为是限制生命起源和生物生产力规模的关键营养元素。不同于地球海水，土卫二海水被认为是碱性（pH= 8.5- 11）且还原性（含有大量的H2）。这种迥异的海水化学到底会对磷化学产生什么影响呢？土卫二海洋中的磷元素会不会是限制其生命宜居性的关键？
针对上述关键科学问题，郝记华研究员领衔的国际合作团队，通过对Cassini已发表数据的解读，设置土卫二冰下海洋环境的边界条件，构建水-岩相互作用模型，模拟土卫二海水化学。结果表明，即使海水呈现还原性，磷依然主要以正磷酸盐（HPO42-）形式存在，其他磷形态（包括有机磷）不稳定。此外，土卫二海水中溶解的HPO42-可以达到10-5至10-3molal，远高于地球海水中的含量（10-7molal）。这主要是由于土卫二海水碱性且高碳酸根的特征导致碱土及过渡金属元素含量很低，从而提高了磷酸盐矿物的溶解度。类似的现象也可以在地球上很多碱性且高碳酸根的湖泊中发现。此外，研究团队还构建了水-岩相互作用的动力学模型，证明海水对土卫二核部的交代过程可以快速地释放大量磷酸根，在105年之内达到10-3molal。相比来说，土卫二的海洋被认为已经存在了108-109年，远久于溶解反应达到平衡所需的时间。
上述发现首次揭示了土卫二海水中有比较高的溶解态磷。结合前人的研究，土卫二海水中将含有丰富的六大生源元素（CHONPS），有利于生命的起源和微生物的生存。本研究成果弥补了土卫二海水宜居性研究的空白，为未来发射冰卫星载荷，探测土卫二海洋中可能的生命信号提供了科学参考。此外，本研究构建的土卫二水-岩相互作用模型未来也可以应用到研究其他营养元素以及其他冰卫星海洋。
本研究受到科技部重点研发计划（2021YFA0718200）、中科院人才项目入选者计划-青年项目、中国科学技术大学“双一流”建设经费以及CIFAR Azrieli Global Scholarship等项目的支持。本文的第一和通讯作者为郝记华研究员，共同通讯作者为Christopher Glein研究员；第一和通讯单位为中国科学技术大学。
全文链接：https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2201388119
