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【前沿报道】Nature Geoscience:火星浅地表盐水氧气溶解度及其对需氧生物的启示
2018-11-02 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  开发火星是人类的伟大征程。火星是否存在液态水,是否有足够氧气支持生物生存,是探索火星生命的关键问题。20188月,意大利科学家在Science发表最新成果,揭示火星南极冰盖之下存在巨大的地下蓄水层,进一步证实火星有液态水富集区域(Orosei et al., 2018)。然而,对于火星是否有足够可维持生物生存的氧气,此前研究略显悲观,鲜有探讨。 

  事实上,地球上的需氧生物在较低的氧含量下仍可存活,如微生物的有氧呼吸所需的溶解氧,其浓度下限可达~10-6 mol/m3Stolper et al., 2010),简单多细胞动物——如海绵则为 ~2×10-3 mol/m3Mills et al., 2014)。另一方面,现有证据或线索揭示:火星表层曾经存在有氧风化作用,当前火星大气中含有微量的氧气(VMRO2≈0.145%),浅地表环境存在低温液态Mg(ClO4)2-Ca(ClO4)2-H2O盐水。 

  当火星上的盐水与微量含氧大气进行水气交换时,这些盐水的氧气溶解度如何?能否突破需氧生物的氧气需求极限?盐水氧气的时空分布如何响应火星大气环流及自转轴倾角的变化? 

  美国加州理工学院和哈佛大学研究人员近期在Nature Geoscience,综合分析了火星浅地表环境盐水的氧气溶解度及其时空演化(Stamenkovic et al., 2018)。 

  首先,他们根据火星大气温压条件及高氯酸盐-氯化物-硫酸盐盐水组分特征,开发了盐水温度-氧气溶解度热力学模型,计算出火星不同组分盐水在不同温度参数下的氧气溶解度分布模式(图1a-b、图1d-e),并对比了现今地球水体含氧量、生物需氧量(图1c、图1f)。 

1 火星现今大气温度(140-300 K)和气压(6.1 mbar)条件下,不同化学组分盐水的氧气溶解度分布模式(a-b, d-e),及其与现今地球水体含氧量、微生物和海绵需氧量的对比(c, f) 

  随后,他们根据火星大气环流模型和盐水温度-氧气溶解度模型,建立了现今火星不同地区盐水氧气溶解度空间分布图(图2)。最后,他们进一步纳入火星自转轴倾角变化参数,用模型重建了过去20 Ma至未来10 Ma火星盐水氧气含量的时间演化趋势。此研究相关模型计算结果显示,在最理想条件下,火星高纬度地区浅地表盐水氧气含量可以超过海绵类多细胞生物的氧气极限需求(2×10-3 mol/m3),可为生命创造有利的有氧环境。 

2 火星现今大气温压条件下,高氯酸钙盐水氧气溶解度空间分布图。(a)过冷盐水模式下的最佳估计模型(BE),黑色虚线代表海绵生存所需的氧气浓度下限;(b)非过冷盐水模式下的最佳估计模型(BE/-SC 

  该研究从盐水氧气溶解度的角度探讨了火星宜居性,并拓展了我们对其它星球氧气-生命演化的探索,同时其研究思路和模型构建具有重要创新和参考价值。 

 

  相关参考文献 

  1. Mills D B, Ward L M, Jones C, et al. Oxygen requirements of the earliest animals[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014, 111(11): 4168-4172. 
  2. Orosei R, Lauro S E, Pettinelli E, et al. Radar evidence of subglacial liquid water on Mars[J]. Science, 2018, 361(6401): 490-493. 
  3. Stolper D A, Revsbech N P, Canfield D E. Aerobic growth at nanomolar oxygen concentrations[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010, 107(44): 18755-18760.  
  4. Stamenkovic V, Ward L M, Mischna M, et al. O2 solubility in Martian near-surface environments and implications for aerobic life[J]. Nature Geoscience, 2018. DOI: 10.1038/s41561-018-0243-0.         

  (撰稿:/油气室)

 
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