陈妍等Astrobiology柴达木盆地类火星环境碳酸盐结核中生命信号的研究及其天体生物学意义

　　结核或结核状构造是地球和火星表面常见的地质构造，地球上结核的形成常伴随着生命过程，因此它们是天体生物学的重要研究对象。火星的盖尔陨石坑、奋进陨石坑和子午线高原等多个区域相继发现了结核状构造，其中盖尔陨石坑的结核被认为形成于火星从湿润到干旱气候条件下、中性-碱性的成岩卤水环境，这些结核能否保存火星早期生命信号还有待进一步研究。
　　柴达木盆地位于我国西北部，属于高原型盆地，气候十分干旱，表面径流大部分蒸发消失，河湖相沉积直接暴露于地表。在柴达木盆地西北部阿尔金山山麓地带的盐湖相沉积中，出露了大量碳酸盐结核（图1），这些结核可能形成于气候逐步干旱下、pH呈中性-碱性的成岩卤水中，其形成环境和化学组成与火星盖尔陨石坑中的结核具有一定的相似性，因此可以与盖尔陨石坑结核进行类比研究。
　　图1 柴达木盆地碳酸盐结核出露区域的地质背景。（a）柴达木盆地的地理位置；（b）结核样品的采样地点及地质背景；（c-e）结核样品的野外照片
　　近日，中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室地球与行星磁场及宜居性学科组的陈妍博士后与合作导师林巍研究员等，联合中科院深海科学与工程研究所屈原皋研究员团队，利用X射线荧光光谱和傅里叶转换红外光谱（FTIR）对柴达木盆地的典型结核样品进行了系统分析。X射线荧光光谱研究发现，结核的核部几乎不含元素Mn，而外部圈层具有较高的Mn含量（图2）。结核外部圈层的Mn分布具有明显的环带结构，其中疏松环带的Mn含量较致密环带的要高。样品中Si和Al等元素的分布没有表现出明显的环带结构。
　　图2 柴达木盆地典型碳酸盐结核样品中Mn、Si和Al的元素分布。红点为微钻取样的位置，钻取的样品用作后续傅里叶转换红外光谱分析
　　傅里叶转换红外光谱研究表明，这些结核样品保存了脂肪族和芳香族等有机分子（图3）。由于结核没有经历较高的变质改造作用，这些有机分子很可能来自成岩流体中的生源有机物。
　　图3 柴达木盆地碳酸盐结核样品及其表面风化壳的傅里叶转换红外吸收光谱。（a）400-4000cm-1的光谱范围；（b）2820-3000cm-1的光谱范围。其中～2850、～2925、～2870和～2960cm-1吸收峰代表了脂肪族结构C-H键不同的振动模式
　　进一步对样品的傅里叶转换红外光谱进行分析，发现结核的碳链分支指数（R3/2，反映-CH3与-CH2的相对比例）介于0.42-0.77范围，其中环带结构中疏松环带的R3/2比致密环带的R3/2要低。碳链分支指数可以在一定程度上区分不同生物前体的膜脂特征，因此柴达木盆地碳酸盐结核R3/2值指示了这些样品形成时的成岩流体可能经历了不同种类的微生物群落共存。疏松高Mn环带指示了盐度较高的成岩卤水，而致密低Mn环带则代表了盐度较低的成岩卤水。疏松高Mn环带具有较低的R3/2值，表明盐度较高的孔隙水主要含有古菌和细菌并可能有真核生物，而致密低Mn环带较高的R3/2值指示了盐度较低的孔隙水中可能含有细菌和更多的古菌。这些结果表明微生物群落结构随着结核形成时成岩流体盐度的变化而发生改变，盐度较低的孔隙水可能含有更高比例的古菌群落（图4）。
　　图4 柴达木盆地结核样品中碳质生物信号以及成岩流体中微生物群落变化的示意图。（a）结核疏松高Mn环带R3/2值较低，指示了盐度较高的孔隙水含有古菌和细菌并可能有真核生物；（b）结核致密低Mn环带R3/2值较高，指示了盐度较低的孔隙水中可能含有细菌和更多的古菌
　　基于比较行星学的科学思路，上述研究表明火星盖尔陨石坑中的结核构造可能具有重要的天体生物学意义，如果早期火星曾经孕育过生命，那么这些结核具有在极端干旱和强烈辐照的环境中保存碳质生命信号的潜力。傅里叶转换红外光谱对诸多有机信号敏感，在不同空间尺度可以快速评估岩石和土壤样品中有机质的含量、分布和化学组成等，因此可以作为火星生命信号探测和返回样品研究的重要技术手段。
　　研究成果发表于天体生物学领域的国际期刊Astrobiology，并被选为当期的封面文章（陈妍，孙宇，刘立，申建勋，屈原皋，潘永信 ， 林巍 *. Biosignatures Preserved in Carbonate Nodules from the Western Qaidam Basin, NW China: Implications for Life Detection on Mars [J]. Astrobiology, 2023, 23(2): 172-182. DOI:  10.1089/ast.2021.0196 ）。研究受国家自然科学基金委、中国科学院、中国科学院地质与地球物理研究所、 中国科学院青年创新促进会 等共同资助。
　　成果被选为Astrobiology当期封面文章
　　美编：傅士旭（华东师大）
　　校对：万鹏（地质地球所）