地底深处的生命探索——矿物中的化学反应分析 | 前沿应用【下篇】

2020-12-11 16:28:11, HORIBA HORIBA（中国）

发现地底生命的关键——矿物

在发现生命的轨迹【上篇】——化石中的碳元素分析（点击链接查看文章）中，我们了解了古生物化石中的碳元素对探究生命存在的重要作用。除了碳元素外，是否还有其他办法探索远古生命的存在呢？

其实地质学体系中的矿物也是发现生命的关键，科学家把通过研究矿物中发生过的化学反应，以寻找地底微小生命存在的痕迹。

埃里克·埃里森是科罗拉多大学波尔得分校--显微拉曼光谱实验室的管理员和应用开发者，他的重要工作之一，就是利用拉曼光谱来分析从地底深处采集的岩石样本，研究其中的矿物成分、结构和相互关系，从而了解那些人类足迹难以到达的地底，生命是如何演化发展的。

埃里克·埃里森（Eric Ellison）

科罗拉多大学波尔得分校

探寻地底生命的生存环境

铁遇水生锈的化学反应再普通不过了，然而在矿物中，这样的化学反应就有可能为地底生命创造适合的生存环境。

埃里森就是通过这些反应来探寻地底生命的存在痕迹，他主要研究的是橄榄岩中的矿物。橄榄岩是一种存在于地幔中的岩石，在地球深处高温、高压和缺氧的环境下形成，这与地表多水且低温的环境相去甚远。当这些岩石通过地质活动移动到地球表面时，会与环境发生反应，这个过程称为“蛇纹石化作用”。

“这些岩石的化学反应就像生锈”埃里森形象地表示。“橄榄岩中的矿物富含铁，与水发生化学反应后导致铁被氧化，水则被分解并释放出氢气。对于寄生在岩石中的细菌以及古生菌类单细胞微生物来说，氢气就是它们的能量来源，它们能够将氢与二氧化碳结合起来, 最终转化为自身所需要的能量。

通俗的来说，这些细菌及单细胞生物是以气体为食。当我们发现岩石的矿物中发生过这些化学反应，就意味着微生物很有可能存在过。

地底矿物-水晶（图片来源：Pixabay）

研究矿物成分的工具——拉曼光谱

既然知道了矿物中的反应是探寻生命存在痕迹的重要方式，那么，如何判断这些化学反应是否发生过呢？

“拉曼光谱能够告诉我们矿物中的化学成分和结构变化，并了解它们之间的相互关系，从而判断岩石中发生的化学反应，以及这一反应环境是否适合微生物的生存。”埃里森如是表示。

埃里森将岩石切割成透明薄片放置在显微镜下，然后使用HORIBA LabRAM HR Evolution 显微共焦拉曼光谱仪，对其进行成像分析。LabRAM HR Evolution的焦长为800mm，在单级拉曼光谱仪中具有很高的光谱分辨率，能够在亚微米尺度对矿物进行表征，获得高质量的拉曼光谱成像图和精细的峰位信息，同时还可对矿物进行2D和3D共焦成像。由此，研究人员能够在微观尺度了解矿物是否曾经被“消耗”过。

注：如需了解该研究中HORIBA LabRAM HR Evolution光谱仪的详细介绍及使用问题，欢迎点击左下角“阅读原文”留言，我们的技术专家会尽快联系您进行答疑解惑。

“拉曼是一种强有力的分析技术，它对晶体结构非常敏感，可以展示出矿物结构。科学家们就是通过这些来判断相关的化学反应是否发生过，从而破译深层地下找到的岩石如何为微生物生命创造栖息地。”

下图就是利用拉曼光谱确定的透明岩石薄片中各种矿物的分布情况，这片已经部分蛇纹石化的岩石来自阿曼的萨梅尔蛇绿岩。

拉曼光谱分析岩石薄片中各种矿物得到的高质量拉曼光谱图

除此之外，拉曼光谱还能帮我们识别隐藏的稀少且细小的矿物。

揭示能量流动的秘密——行星的生命痕迹

生命的探寻总是一步一步，循序渐进。远古生态系统是否存在过？是否普遍的存在？其中有多少可供生命利用的能量？拉曼光谱正在为我们一步步揭开谜底。除了研究地底深处的岩石，科学家们还可以通过这种方式揭秘其他星球上是否存在类似的岩石宿主环境。

除了橄榄岩等矿物的研究，埃里森就开展了名为 "推动生命的岩石（Rock Powered Life）"项目，致力于揭示从岩石圈（地壳和地幔）到生物圈的能量流动机制。该项目由NASA的天体生物学研究所支持，目的是为了进一步寻找其他行星上可能存在的生命痕迹。

科罗拉多大学波尔得分校显微拉曼光谱实验室中使用的
HORIBA LabRAM HR Evolution拉曼光谱仪

生命轨迹探寻的方式并不局限，从之前介绍过的南极冰下湖沉积物研究（点击链接查看文章），到上篇中化石的研究（点击链接查看文章），科学家们通过研究那些经过几百年甚至上千年的演变而形成的生命载体——岩石，来寻找生命遗迹。在如今气候日益恶化的环境下，这一探索也许能为我们探寻人类发展的进程给出可供参考的案例。至于如何为人类发展给到可供参考的信息，欢迎在往期文章中寻找答案。