科学研究 - 东京工业大学等在土星卫星的海洋中发现生命必需元素——高浓度的磷

东京工业大学国际先驱研究机构地球生命研究所的关根康人所长（教授）和丹秀也研究员（现为海洋研究开发机构超先锐研究开发部门青年调查研究员）、海洋研究开发机构的涩谷岳造主任研究员等人组成的研究团队与柏林自由大学（德国）的弗兰克·波斯特贝格（Frank Postberg）教授等共同发布称，在土星卫星的土卫二（Enceladus，恩克拉多斯）的海洋中发现地球生命的必需元素——磷，并且以地球海水的数千至数万倍的高浓度浓集。研究团队查明磷浓集的原因在于碱性且高碳酸浓度的海水与岩石发生的反应。该成果将有助于阐明地球生命起源，并为未来的探索计划提供指标。该成果已发表在国际学术期刊《Nature》6月14日号上。

图1. 土卫二的内部存在接触岩石核心的地下海洋，海底有热液喷口。土卫二的南极附近的裂缝中有羽流喷出（供图：NASA/JPL）。

美国国家航空航天局（NASA）研制的土星探测器卡西尼号（Cassini）于1997年发射升空，2004年抵达土星，并持续探测直至2017年，为人类带来了新的认知。观测结果表明，土星的卫星之一“土卫二”拥有生命所需的全部三种元素：液态水、有机物和能量。土卫二是一个直径约500公里的天体，在覆盖表层的厚冰之下存在岩石核心和地下海洋。从土卫二南极附近的裂缝向太空喷出海水，用探测器通过其中并分析海水后发现，地下海的海水为温度为90℃、pH值为9～11、并含有大量二氧化碳的高浓度碳酸水。

在此之前，关根所长等人的日本研究团队在2015年已明确，土卫二的地下海中存在海底热液喷口。

另外，弗兰克·波斯特贝格教授等人的欧美研究团队对卡西尼号搭载的灰尘分析仪捕捉到的土卫二喷出的海水等数百个微粒子进行了数据分析，详细研究了每个粒子的组成等。

此次，弗兰克·波斯特贝格教授等人发现，获得的粒子中除了钠盐以外，还存在含有高浓度磷酸的粒子。345个粒子中有9个粒子含有磷酸。

此外，根据含有磷酸的粒子占所获得的总粒子的比率，可以估算出海水中的磷酸浓度为0.8-21mmol/kg（毫摩尔/公斤）。而地球海水中的磷酸浓度为500nmol/kg（纳摩尔/公斤），因此得出土卫二海水中的磷浓度比地球高出数百倍。

另一方面，尚不清楚是什么因素导致了这种极高的浓度。

因此，关根所长等人的研究团队根据之前的研究中获得的数据，使用模拟土卫二海水（NaHCO3+NH3溶液）和类似于构成海底的岩石的碳质球粒陨石（模拟岩石核心）的粉末，在土卫二地下海的热液环境条件（300气压、150℃）下进行了反应实验。

结果发现，在土卫二的地下海中，由于碱性且高碳酸浓度的海水与岩石反应，导致岩石中所含的磷酸溶解到海水中，从而引起磷浓缩。

此外，据推测，这种水环境可在土星的其他卫星、天王星/海王星的卫星、冥王星等太阳系外侧冰天体的地下海中普遍实现。如果能够在这些天体上获得生命痕迹的话，则该生命的化学组成很可能与地球生命相似。

对于地球生命来说，磷是构成DNA和细胞膜的磷脂等生命活动的基础，但在目前地球上的水环境中十分匮乏。尽管存在于岩石中，但生命只能利用溶解在水中的磷。根据生命起源论，磷酸浓集的水环境对于上述合成不可缺少，但目前尚不清楚如何实现。此次研究证实了磷酸浓集真实存在于地球外的海洋中。

原始地球拥有厚厚的二氧化碳大气层，作为可能发生磷酸浓集的环境，据猜想海底存在喷出碱性热液的热液喷口，而这次的结果极大验证了这一猜想。

关根所长表示：“这次发现揭示了与地球生命在物质化学上相似的生命普遍存在于太阳系外侧的可能性，同时为现实中的下一次土卫二探测提供了观测目标。”

原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部