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最近大火的電視劇《三體》讓很多人又開始遐想地外文明，三體文明在一次又一次的星體毀滅中又重生，相信很多人都有這樣一些疑問，原始地球究竟是什麼樣子？我們地球上的生命又是怎麼誕生和演化的？這些問題對於理解生命的出現和機制具有重要的研究意義，並且從哲學層面上來講也具有深刻含義。大約40億年前，地球上出現了第一批生命跡象（微生物），儘管科學家們仍在確定這些微生物的確切出現時間和方式，但很明顯，生命的出現與早期地球的化學和物理特徵是錯綜複雜的，羅徹斯特大學教授Dustin Trail也表示：「我們有理由懷疑，如果原始地球的早期化學特徵不同，那麼生命很可能會以不同的方式開始，或者根本不會發生」，但其實在地球歷史的前7億年中，我們對原始地球上的條件和早期化學系統仍然知之甚少。
1. 突破性研究內容
早期原始地球的水系統化學對地球生命的發生和演變至關重要，然而，對數十億年前岩石和流體的特徵缺乏了解限制了對這些內容的進一步揭示，而這也對探索外太空生命的存在十分重要。近日，來自羅徹斯特大學地球與環境科學的Thomas M. McCollom教授課題組通過使用40億年前鋯石的化學成分來估計礦物形成的流體化學和溫度，該研究首次發現，為熱液池注入的氧化性流體比之前預期的要多，這表明礦物和有機物很可能在地球吸積後就已經形成，從而揭示了原始地球最早的熱液系統的地球化學系統。該研究內容以「Relatively oxidized fluids fed Earth’s earliest hydrothermal systems」為題於2023年02月09表於國際頂級期刊《Science》，並被《Science》進行亮點報導。
地球上生命的起源一般被認為是發生在45億至35億年（Ga）前的某個時候，這一範圍在早期其實有部分受到了公認證據的限制——348年前的疊層石化石，這些是在澳大利亞Dresser地層中發現的光合微生物產生的碳酸鹽結構，該地區含有一些地球上最古老的岩石。此外，月球的形成也限制了對生命早期出現的認識，一般人們都認為，月球是在地球與另一顆小行星碰撞時形成的，這一撞擊事件的發生很可能摧毀了4.5 Ga之前的任何生命形式。儘管這一時期的地質證據還很少，但從澳大利亞傑克·希爾斯的3.3至4.4 Ga的鋯石（ZrSiO4）樣本中，研究人員對早期地球開始有了更廣泛的了解。
鋯石是極有彈性的礦物，可以在其主岩風化後存留下來，結晶後，鋯石會記錄其周圍環境的同位素和元素特徵，因此，對古代地幔熔體中形成的鋯石的研究揭示了許多關於早期地球的信息，包括約4.3 Ga前存在液態水的這一認識。研究者們還證實，~4.4 Ga前，地球地幔接近其當前的氧化還原狀態（氧化劑和還原劑的平衡）。
地球早期的氧化還原狀態自該領域開創以來一直是生命起源討論的中心，許多研究人員認為，還原性大氣，也即以提供電子的氣體（H2、NH3、CH4和H2S）為主的大氣，是生命產生所必需的。地球早期的大氣層是由火山活動期間排出的地幔氣體組成的，地幔氣體的形態由地幔氧化還原狀態控制，通過存在的氧氣量（氧逸度，fo2）來進行測量，在地幔中，fo2受到周圍礦物組合的緩衝。對於現在的地球而言，礦物緩衝層是輝沸石、磁鐵礦和石英（FMQ），有利於中性和弱氧化氣體（N2、H2O、CO2和SO2）的脫氣。由於發現4.4至3.8 Ga前地球地幔的FMQ估計值與現今相似，研究者們人為原始地球的大氣可能是氧化還原中性的。
利用合成鋯石，研究人員設計了一種方法來確定熱液流體（~580°C）的地球化學，其中8個Jack Hills鋯石在約3.9 Ga前重結晶。合成鋯石在不同氧化還原狀態的水熱流體（1200°C至900°C，10 kbar）中結晶，以產生一個方程式用以計算氧化還原敏感鈰（Ce3+，Ce4+）和氧化還原不敏感元素鑭（La）和鐠（Pr）的fo2。研究還測定了流體中總Ce與鋯石的分配係數，將其歸一化為La和Pr的分配係數。並發現Ce4+比Ce3+更容易在結晶鋯石中被捕獲，因此，對La和Pr進行歸一化可以揭示鋯石中是否存在過量的Ce，這表明鋯石是在富含Ce4+的氧化流體中形成的。通過這種校準，研究人員成功確定，形成8個Jack Hills鋯石的熱液流體的氧化還原狀態比該時期的上地幔氧化程度略高。
在確定熱液流體的fo2、溫度和鹽度後，研究者們就模擬了這些流體向上穿過地殼時的地球化學演化過程。儘管原始地球流體比現代地幔氧化程度相對更高，但據預測，平衡時（580°C，5 kbar）的岩石圈流體富含H2S（相對於SO4）和過渡金屬（Cu、Mn和Zn），這些物質協同可能驅動非生物碳固定，將無機碳轉化為有機化合物。研究構建的模型表明，當流體突破表面時，它們將富含具有已知催化潛力的離子（Fe2+、Fe3+、Ni2+、Mn2+和Ca2+）和還原氣體（CH4和H2S）。這也就是為何有些之前的研究能夠從模擬這些原始的熱液流體中進行類似原始條件下有機合成的過程。研究的結果證實，與傳統觀點相反（相對氧化的系統被認為不利於生命化學起源），相對氧化的系統可以為原始生命物質的合成創造非常有利的條件。
2. 研究總結與展望
總結一下，這項研究開發了一種新的校準和方法，能夠用於表徵在古代鋯石中捕獲的其他熱液系統的地球化學特徵，深入揭示了原始地球上岩石及流體條件，這一方法也將有可能應用於從其他星球的熱液系統發現。據預測，火星上也有著大量鋯石，這些鋯石很有可能來自被古代流體改變的岩石，在火星隕石中之前也發現了在熱液流體中重結晶的鋯石。美國國家航空航天局-歐洲航天局採集的火星樣品（Jezero隕石坑內）分析表明，該隕石坑在約3.8 Ga經歷了撞擊誘導的熱液蝕變，可能含有重結晶鋯石，這些鋯石與潛含有流體的原始地球化學特徵相類似。未來將這一工作開發的方法應用於外星樣本分析，不僅可以預測火星的可居住性，還可以為生命出現的條件研究提供原始地球化學的參考。
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