地球深部水库存引热议,50+用户观点全景呈现
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25-12-19
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我们总将地震视为纯粹的毁灭力量。它撕裂大地,摧毁家园,是自然伟力中令人敬畏的破坏者。但如果,这股力量同时也在孕育生命呢?最近,一项由中国科学院科学家主导的研究,就揭示了这惊人的一幕:在我们脚下数公里的黑暗深处,可能正是地壳的每一次断裂和呻吟,为那里庞大的生命王国提供了源源不断的能量。我们从小接受的常识是“万物生长靠太阳”。植物通过光合作用,将太阳能转化为化学能,构成了地球绝大多数生命赖以生存的食物链基础。然而,近些年科学家发现,地球的内部远非一片死寂。在地壳深处,那个没有一丝阳光、缺乏有机物的黑暗世界里,竟然存在着一个巨大的“深部生物圈”。据估算,这里的微生物总量可能高达数百亿吨,它们是名副其实的“地下居民”。一个谜题随之而来:没有太阳,它们靠什么活着?过去,科学家提出了一些可能的能量来源,比如某些岩石与水反应(如蛇纹石化)会缓慢释放氢气。但这些过程产生的能量,似乎不足以支撑如此规模庞大的生态系统。这个深邃世界的“主引擎”到底是什么,一直是个谜。现在,来自中国科学院广州地球化学研究所的何宏平和朱建喜团队,通过一次精巧的实验,找到了答案。他们想知道,地球上最剧烈的地质活动,也就是地壳断裂,是否会在其中扮演关键角色。他们的研究揭示了一个如同“地质榨汁机”般的奇妙过程。首先,当构造板块相互挤压、摩擦,巨大的机械应力导致岩石破裂。在这个过程中,岩石矿物的化学键被打断,会瞬间产生大量极度活跃、不安分的化学小碎片,这就是自由基(Free Radicals)。你可以把它们想象成微观世界里迸发的“化学火花”。接下来,这些“火花”遇到了岩石缝隙中的水分子(H2O)。自由基的超高活性使它能轻而易举地将水分子分解,这个过程如同用化学方式“劈开”了水,产生了两种关键物质:氢气(H2)和多种氧化剂(比如过氧化氢,H2O2)。这一下,生命所需的一切就绪了。氢气是绝佳的能量来源,相当于地底生物的“面包”;而氧化剂则扮演了类似氧气的角色,是生物代谢中不可或缺的“助燃剂”。两者在岩石的裂隙中形成了一种天然的“能量梯度”。这个过程,在化学上被称为氧化还原反应(Redox Reaction)。我们不必深究其复杂的电子转移机制,只需要将它理解成一个微型电池:氢气是电池的负极,氧化剂是正极。微生物就生活在这对“电极”之间,依靠它们之间持续的化学电位差来获取能量,驱动自己的新陈代谢和繁衍生息。更重要的是,研究团队发现,由地壳断裂驱动产生的氢气量,比之前已知的任何地质产氢途径(如蛇纹石化)高出多达10万倍!这不仅解释了深部生物圈庞大的能量来源问题,还驱动了地下世界里铁、碳、氮、硫等元素的地球化学循环,维系着整个生态系统的运转。这项由中国科学家揭示的发现,彻底改变了我们对地球生命的认知。它告诉我们,生命远比我们想象的更加坚韧和富有创造力,它们甚至能将星球最具破坏性的力量,转化为赖以为生的创造之力。而这个故事最激动人心的部分,在于它将我们的目光引向了地球之外。火星,这颗红色的星球,虽然表面寒冷干燥,但地质学证据表明,它的地壳下可能依然存在液态水,并且也曾有过活跃的地质活动。如果岩石、水和地壳断裂就能在地球深处点燃生命的火花,那么在火星、甚至在拥有冰下海洋和岩石核心的木卫二等星球上,是否也存在着由同样机制驱动的“深部生物圈”呢?从此,我们在仰望星空、寻找外星生命时,或许不仅要看向那些宜居带上温和的星球表面,更要倾听那些“沉睡”星球内部,可能正在发生由地壳断裂奏响的生命序曲。-----图为岩石行星深部地下机械过程驱动的氧化还原化学示意图。(A)随着地壳变形、板块构造和地幔柱等多种地质过程重塑硅酸盐地壳,形成适宜生命存在的地下环境。(B)微生物利用存在氧化还原梯度的断裂系统中的能量和电子进行细胞生长和分裂。(C)矿物-水反应将机械能转化为化学能,驱动深层生物圈中的铁氧化还原循环。图源:Dr. Wu Xiao信源:Xiao Wu et al, Crustal faulting drives biological redox cycling in the deep subsurface, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adx5372.
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日本的“隼鸟2号”探测器,执行过一项非凡的任务:它飞向一颗名为“龙宫”的小行星,轻轻触碰其表面,然后带着几粒珍贵的尘埃返回地球。最近,当科学家把这些比米粒还小的样本放到显微镜下分析时,一个颠覆了现有认知的秘密被揭开了。
这个秘密关乎于水,液态的水。
长久以来,科学界的共识是,像“龙宫”这样由太阳系早期的冰和尘埃聚集而成的小行星,确实是宇宙中的“储水库”。但大家普遍认为,这些水以液态形式存在的时间非常短暂。在46亿年前太阳系刚刚形成后的几百万年里,小行星内部的热量或许能融化一部分冰,形成短暂的内部水流,但之后很快就会冷却、枯竭。这就像一块湿泥,很快就会被风干。
然而,“龙宫”的样本讲述了一个完全不同的故事。证据显示,在它的母体小行星上(“龙宫”被认为是从一颗更大的小行星上撞击脱落的碎片),液态水竟然在太阳系形成整整十亿年后,依然在岩石的缝隙中活跃地流动着。这个时间点,远比任何人预想的都要晚。
这个“迟到”了十亿年的水,为什么如此重要?因为它直接关系到我们脚下的这颗蓝色星球。
关于地球上海洋的起源,一个主流理论是“小行星撞击说”,即地球早期的大部分水,是由富含冰的小行星在亿万年的时间里,一次次撞击地球带来的。如果这些小行星保持“湿润”状态的时间,比我们原先估计的长得多,那就意味着,它们能够向地球输送的水量,可能也远超此前的模型。这对于我们理解地球早期如何形成广阔的海洋,乃至如何孕育出第一个生命,都提出了一个全新的思考方向。
那么,科学家是如何从几粒尘埃中,读出这段亿万年前的流水故事呢?他们依靠的是一种精妙的“天然时钟”——放射性同位素。
在“龙宫”的样本中,有两种特殊的元素:镥(Lu)和铪(Hf)。其中,镥的一种同位素会随着时间稳定地衰变成铪的同位素。这个衰变过程就像一个极其精准的时钟,通过测量岩石中这两种元素的比例,就能推断出岩石的年龄。在正常情况下,这个比例是可以预测的。但科学家发现,“龙宫”样本中的镥元素含量比预期的要少。
什么东西能带走岩石中的特定元素呢?答案是液体。最合理的解释是,曾经有液态水流过这些岩石,像溪流冲刷河床上的沙子一样,“冲走”了一部分更容易溶解的镥元素。这个时钟的指针被拨动了。通过精确计算这个比例上的“亏损”,科学家不仅证明了这里曾有水流,还反推出了水流活动发生的年代 —— 一个出人意料的、很晚的时期。
更令人惊叹的是,完成这项颠覆性研究所用的样本,总共只有几毫克,相当于一小撮碾碎的米粒。为了从如此微量的物质中分离并精确测量这些元素,研究团队必须开发全新的化学技术,其难度和精度要求,都达到了科学探索的极限。
科学的故事总是在延续。接下来,科学家计划进一步研究样本中磷酸盐矿物的脉络,以期更精确地锁定流水活动的具体时间。同时,他们也将把“龙宫”的发现,与美国NASA带回的另一颗小行星“贝努”的样本进行对比。到那时我们就会知道,这种“长寿”的地下水系统,究竟是“龙宫”母体的独家秘密,还是宇宙中这些“天外飞石”的普遍现象。这几粒来自太空的尘埃,已经为我们打开了一扇重新认识太阳系和地球生命起源的窗户。
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图为小行星龙宫近照,以及去这颗小行星采样的隼鸟二号示意图,图源:Jaxa, UTokyo & collaborators/DLR German Aerospace Center
信源:Tsuyoshi Iizuka et al, Late fluid flow in a primitive asteroid revealed by Lu–Hf isotopes in Ryugu, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09483-0
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