原創(chuàng)： HORIBA HORIBA科學(xué)儀器事業(yè)部 10月23日

發(fā)現(xiàn)地底生命的關(guān)鍵——礦物

在發(fā)現(xiàn)生命的軌跡【上篇】——化石中的碳元素分析（點(diǎn)擊鏈接查看文章）中，我們了解了古生物化石中的碳元素對(duì)探究生命存在的重要作用。除了碳元素外，是否還有其他辦法探索遠(yuǎn)古生命的存在呢？

其實(shí)地質(zhì)學(xué)體系中的礦物也是發(fā)現(xiàn)生命的關(guān)鍵，科學(xué)家把通過(guò)研究礦物中發(fā)生過(guò)的化學(xué)反應(yīng)，以尋找地底微小生命存在的痕跡。

埃里克·埃里森是科羅拉多大學(xué)波爾得分校--顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)室的管理員和應(yīng)用，他的重要工作之一，就是利用拉曼光譜來(lái)分析從地底深處采集的巖石樣本，研究其中的礦物成分、結(jié)構(gòu)和相互關(guān)系，從而了解那些人類足跡難以到達(dá)的地底，生命是如何演化發(fā)展的。

埃里克·埃里森（Eric Ellison）

科羅拉多大學(xué)波爾得分校

探尋地底生命的生存環(huán)境

鐵遇水生銹的化學(xué)反應(yīng)再普通不過(guò)了，然而在礦物中，這樣的化學(xué)反應(yīng)就有可能為地底生命創(chuàng)造適合的生存環(huán)境。

埃里森就是通過(guò)這些反應(yīng)來(lái)探尋地底生命的存在痕跡，他主要研究的是橄欖巖中的礦物。橄欖巖是一種存在于地幔中的巖石，在地球深處高溫、高壓和缺氧的環(huán)境下形成，這與地表多水且低溫的環(huán)境相去甚遠(yuǎn)。當(dāng)這些巖石通過(guò)地質(zhì)活動(dòng)移動(dòng)到地球表面時(shí)，會(huì)與環(huán)境發(fā)生反應(yīng)，這個(gè)過(guò)程稱為“蛇紋石化作用”。

“這些巖石的化學(xué)反應(yīng)就像生銹”埃里森形象地表示。“橄欖巖中的礦物富含鐵，與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后導(dǎo)致鐵被氧化，水則被分解并釋放出氫氣。對(duì)于寄生在巖石中的細(xì)菌以及古生菌類單細(xì)胞微生物來(lái)說(shuō)，氫氣就是它們的能量來(lái)源，它們能夠?qū)渑c二氧化碳結(jié)合起來(lái), 終轉(zhuǎn)化為自身所需要的能量。

通俗的來(lái)說(shuō)，這些細(xì)菌及單細(xì)胞生物是以氣體為食。當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)巖石的礦物中發(fā)生過(guò)這些化學(xué)反應(yīng)，就意味著微生物很有可能存在過(guò)。

地底礦物-水晶（圖片來(lái)源：Pixabay）

研究礦物成分的工具——拉曼光譜

既然知道了礦物中的反應(yīng)是探尋生命存在痕跡的重要方式，那么，如何判斷這些化學(xué)反應(yīng)是否發(fā)生過(guò)呢？

“拉曼光譜能夠告訴我們礦物中的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)變化，并了解它們之間的相互關(guān)系，從而判斷巖石中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，以及這一反應(yīng)環(huán)境是否適合微生物的生存。”埃里森如是表示。

埃里森將巖石切割成透明薄片放置在顯微鏡下，然后使用HORIBA LabRAM HR Evolution 顯微共焦拉曼光譜儀，對(duì)其進(jìn)行成像分析。LabRAM HR Evolution的焦長(zhǎng)為800mm，在單級(jí)拉曼光譜儀中具有高的光譜分辨率，能夠在亞微米尺度對(duì)礦物進(jìn)行表征，獲得高質(zhì)量的拉曼光譜成像圖和精細(xì)的峰位信息，同時(shí)還可對(duì)礦物進(jìn)行2D和3D共焦成像。由此，研究人員能夠在微觀尺度了解礦物是否曾經(jīng)被“消耗”過(guò)。

注：如需了解該研究中HORIBA LabRAM HR Evolution光譜儀的詳細(xì)介紹及使用問(wèn)題，歡迎點(diǎn)擊左下角“閱讀原文”留言，我們的技術(shù)專家會(huì)盡快聯(lián)系您進(jìn)行答疑解惑。

“拉曼是一種強(qiáng)有力的分析技術(shù)，它對(duì)晶體結(jié)構(gòu)非常敏感，可以展示出礦物結(jié)構(gòu)。科學(xué)家們就是通過(guò)這些來(lái)判斷相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)是否發(fā)生過(guò)，從而破譯深層地下找到的巖石如何為微生物生命創(chuàng)造棲息地。”

下圖就是利用拉曼光譜確定的透明巖石薄片中各種礦物的分布情況，這片已經(jīng)部分蛇紋石化的巖石來(lái)自阿曼的薩梅爾蛇綠巖。

拉曼光譜分析巖石薄片中各種礦物得到的高質(zhì)量拉曼光譜圖

除此之外，拉曼光譜還能幫我們識(shí)別隱藏的且細(xì)小的礦物。

揭示能量流動(dòng)的秘密——行星的生命痕跡

生命的探尋總是一步一步，循序漸進(jìn)。遠(yuǎn)古生態(tài)系統(tǒng)是否存在過(guò)？是否普遍的存在？其中有多少可供生命利用的能量？拉曼光譜正在為我們一步步揭開謎底。除了研究地底深處的巖石，科學(xué)家們還可以通過(guò)這種方式揭秘其他星球上是否存在類似的巖石宿主環(huán)境。

除了橄欖巖等礦物的研究，埃里森就開展了名為 "推動(dòng)生命的巖石（Rock Powered Life）"項(xiàng)目，致力于揭示從巖石圈（地殼和地幔）到生物圈的能量流動(dòng)機(jī)制。該項(xiàng)目由NASA的天體生物學(xué)研究所支持，目的是為了進(jìn)一步尋找其他行星上可能存在的生命痕跡。

科羅拉多大學(xué)波爾得分校顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)室中使用的
HORIBA LabRAM HR Evolution拉曼光譜儀

生命軌跡探尋的方式并不局限，從之前介紹過(guò)的南冰下湖沉積物研究（點(diǎn)擊鏈接查看文章），到上篇中化石的研究（點(diǎn)擊鏈接查看文章），科學(xué)家們通過(guò)研究那些經(jīng)過(guò)幾百年甚至上千年的演變而形成的生命載體——巖石，來(lái)尋找生命遺跡。在如今氣候日益惡化的環(huán)境下，這一探索也許能為我們探尋人類發(fā)展的進(jìn)程給出可供參考的案例。至于如何為人類發(fā)展給到可供參考的信息，歡迎在往期文章中尋找答案。

今日話題

礦物研究無(wú)論是在生命科學(xué)還是考古、地質(zhì)，抑或是珠寶行業(yè)等等，都是重要研究課題，你在科研中又研究過(guò)哪些新奇有趣的礦物呢？

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