硫和地球上第一个生命的出现

时间:2019-11-25 10:13 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

  

硫和地球上第一个生命的出现

 

  在25亿年前的太古宙,硫化学对早期厌氧生命至关重要。资料来源:彼得·索耶/史密森学会。

  绘制含有硫同位素的分子的化学键和振动模式有助于阐明在太古宙地球大气中发生的化学反应,那时大气还没有在大约25亿年前变成含氧的。

  太古宙是一个地质时代,从40亿年到25亿年。它见证了地球上第一个生命的出现,但这些微生物是厌氧的,意味着它们不能呼吸氧气。事实上,在这段时间里,地球的大气层并不含有任何氧分子。相反,大气中富含碳,尤其是硫。

  太古宙地球大气中的硫是由火山活动释放出来的,通过一个称为质量独立分馏的过程,硫的各种同位素(硫原子含有相同数量的质子,但不同数量的中子)以一种与它们的质量无关的方式变得丰富起来。证据,这发生在表面沉积可以追溯到古代,这些硫同位素,分子的一部分,如硫化氢(H2S)和二氧化硫(SO2)、微生物代谢,在这一过程中释放出氧气和地球大气层开始补氧的过程——一个被称为大氧化事件发展。

  由于硫在富氧的环境中很快被氧化,然后通过降水和径流从大气中进入海洋,所以早期太古代生命的硫化学被逐步淘汰并随着时间流逝而消失。然而,通过了解质量独立的分馏过程,应该可以更多地了解预充氧地球的大气和地球上第一个生命生存的条件。

  黄石国家公园温泉

  

硫和地球上第一个生命的出现

 

  极端微生物是英国天体生物学家研究的热门话题,比如在黄石国家公园的温泉中,嗜热微生物给微生物垫带来了如此鲜艳的色彩。资料来源:Jim Peaco/国家公园管理局。

  硫的质量无关分馏背后的过程仍不确定,但两个最流行的假设是太阳紫外线光解(分子的分裂),或单质硫之间的反应。威斯康辛州密尔沃基市马奎特大学的物理化学和分子物理学教授Dmitri Babikov说:“然而,实际的现象、反应或机理仍有待确定。”

  硫的分子键

  Babikov,连同他的马奎特的同事Igor Gayday和亚历山大•Teplukhin分子物理学杂志上发表了一篇新论文,探讨的一些分子键sulfur-4 (S4)分子,以及这些债券是如何影响分子的振动模式,进而可能影响质量独立分馏过程。

  他们发现了第二个未知的键,将S2分子(包含两个硫原子)连接在一起形成S4。“第二种化学键将分子紧密地按[梯形]排列,不允许两个S2分子在S4中轻易地旋转,”Babikov说。反过来,硫原子的这种排列又决定了S4分子振动时它们的运动方式。

  S4分子的振动状态或频率由分子“势能面”的形状决定,势能面描述了S4分子梯形排列中同位素的能量,以及化学反应如何改变了系统的势能。不仅涉及S2分子间键的拉伸和压缩的振动模式的数量对反应速率有影响,而且它们对给定的同位素也很敏感,这有助于识别质量无关分馏背后的化学反应。“但在这一点上,这仍然是一个假设,”Babikov说。

  更好地理解质量独立分馏在太古宙地球硫化学中的作用,不仅让我们了解了氧化作用之前地球上的环境,而且还让我们了解了系外行星上类似环境可能产生的潜在生物特征。

  “(硫同位素)可能成为地球上创造生命的环境的标志,”Babikov说。然而,他说,我们目前的望远镜技术水平意味着,要精确地确定系外行星大气的同位素组成是非常困难的。

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