2020年第11期《科学通报》封面文章
深海拉曼探针(RiP)在深海热液区原位探测超临界二氧化碳流体。
早期地球初始有机质形成模型
近日，《科学通报》作为封面文章，发表了一篇题为《超临界二氧化碳在热液系统中的发现》的文章，报道了中国科学院海洋研究所闫军与孙卫东研究组合作，首次在自然状态下观测到热液系统中超临界二氧化碳流体的喷发。观测到的超临界二氧化碳中含有大量的氮和有机成分，为生命起源和初始有机物的形成提供了新的启示。
在科考船“科学”号2016年深海热液航次中，科研人员在深海ROV机器人“发现”号上使用我国自主研发的深海激光拉曼光谱(RiP)原位探测系统，在深海热液区(1400 m)发现一个超临界二氧化碳流体喷发的热液喷口，自主研发的深海热液探针测得超临界二氧化碳喷口温度约为95°C，此外， 用RiP探针原位直接探测深海超临界二氧化碳流体，发现深海超临界二氧化碳的拉曼光谱峰与实验室模拟的超临界二氧化碳在频移、半峰宽等光谱参数上完全一致。 同时，原位超临界二氧化碳的拉曼光谱不仅含有甲烷、硫化氢、硫酸盐等组分的拉曼特征峰，还含有大量的氮和许多未知组分，远高于周围海水。虽然仅从拉曼光谱信息很难确定未知峰对应的化学物质，但是拉曼特征峰的峰位可以反映化学键的信息。拉曼特征峰的归属表明，这些未知峰大多与C-H、C-C、C-N、N-H有关，证明深海热液区喷发的超临界二氧化碳流体很可能含有大量有机物。考虑到超临界二氧化碳在甲酸和氨基酸有机合成中的重要作用，推测这些未知的有机化合物很可能与氨基酸合成有关。
地球生命的起源和初始有机物的形成一直受到广泛关注。生物学研究表明，嗜热细菌很可能是地球生命的共同祖先，因此热液系统一直被认为与生命起源密切相关。然而，热液流体缺乏氮，这是氨基酸合成的关键元素，这是早期生命起源于热液假说的最致命问题。深海热液区发现的超临界二氧化碳流体富含氮，为早期地球从无机到有机的过程提供了极好的反应介质。最近的实验表明，在超临界二氧化碳和矿物质的参与下，H2O-CO2-N2体系可以合成丙氨酸、甘氨酸、天冬氨酸和精氨酸四种氨基酸。因此，作者提出了早期地球生命起源的新模式。月球形成后几百万年，原始大气逐渐形成。此时原始大气中含有数百个大气压的水蒸气、二氧化碳、氮气等。原始海洋形成后，当温度和压力条件大于31℃和7.3MPa时，二氧化碳会以超临界流体相存在，所以地球表面存在超临界二氧化碳层。在水圈和大气的界面上，氮和矿物颗粒可以被稠密的超临界二氧化碳吸附。在矿物颗粒的催化下，超临界二氧化碳、水和氮气形成氨基酸等初始有机物，从而完成无机向有机的转化，产生生命所必需的氨基酸等有机大分子。
