近日，中國科學技術大學地球和空間科學學院的郝記華研究員與美國西南研究員的ChristopherGlein研究員等學者合作，構建模擬土衛二海水化學，發現土衛二水體中含有很豐富的溶解態磷酸根，可以支持潛在微生物的起源與繁盛。
相關研究成果以“Abundant phosphorus expected for possible life in Enceladus’socean”發表在國際一流學術期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences，USA》上。該發現首次揭示了生命關鍵營養元素磷在土衛二冰下海洋中可以積累較高濃度，填補了土衛二海洋宜居性研究的重要空白。
圖1.卡西尼號觀測到的土衛二冰殼上的老虎紋（左）和南極的水冰羽（右）
土衛二是土星的一顆天然衛星，體積較小，表面被厚厚的冰層覆蓋。傳統研究認為，土衛二等冰衛星的內部能量太少，不足以支撐其內部長期存在液態水體。但1980年左右，美國宇航局(NASA)通過旅行者號（Voyager）I和II觀測到土衛二表面非常光滑，且隕石坑密度在空間上相差很大，暗示其有活躍的水動力活動。2005年，NASA的卡西尼號(Cassini)號探測器通過更高分辨率的近軌觀察，發現土衛二表面有豐富的老虎紋（Tiger Stripes），並且首次在南極地區拍攝到水冰羽（Water plume），證實了冰下海洋的存在。隨後，卡西尼號掠過了土衛二的水冰羽，並對其化學組分進行分析，結果證明其有豐富的無機和有機構成，包括Na+、K+、Cl-、HCO3-、CO32-等無機鹽以及C1-C6的有機物。NASA將土衛二視為最有可能發現微生物活動的地外星體（之一）。
圖2.2008年美國Cassini號對土衛二噴出物的分析（Waiteet al., 2009, Nature）
目前，科學家已經在土衛二海水中發現了豐富的碳、氫、氧、氮及少量的硫，但對於生命六大基本構成元素之一的磷仍然沒有相關報道。在地球表面水體中，磷往往以正磷酸（HxPO4(3-x)-）的形式存在，且溶解度極低，因此被普遍認為是限制生命起源和生物生產力規模的關鍵營養元素。不同於地球海水，土衛二海水被認為是鹼性（pH = 8.5 – 11）且還原性（含有大量的H2）。這種迥異的海水化學到底會對磷化學產生什麼影響呢？土衛二海洋中的磷元素會不會是限制其生命宜居性的關鍵？
針對上述關鍵科學問題，郝記華研究員領銜的國際合作團隊，通過對Cassini已發表數據的解讀，設置土衛二冰下海洋環境的邊界條件，構建水-岩相互作用模型，模擬土衛二海水化學。結果表明，即使海水呈現還原性，磷依然主要以正磷酸鹽（HPO42-）形式存在，其他磷形態（包括有機磷）不穩定。此外，土衛二海水中溶解的HPO42-可以達到10-5至10-3molal，遠高於地球海水中的含量（10-7molal）。這主要是由於土衛二海水鹼性且高碳酸根的特徵導致鹼土及過渡金屬元素含量很低，從而提高了磷酸鹽礦物的溶解度。類似的現象也可以在地球上很多鹼性且高碳酸根的湖泊中發現。此外，研究團隊還構建了水-岩相互作用的動力學模型，證明海水對土衛二核部的交代過程可以快速地釋放大量磷酸根，在105年之內達到10-3molal。相比來說，土衛二的海洋被認為已經存在了108-109年，遠久於溶解反應達到平衡所需的時間。
圖3.土衛二海水邊界條件（灰色陰影部分）下較高的磷酸根溶解度。左右兩圖分別指示高氟和無氟兩種極端邊界條件下的溶解度特徵。
圖4. 不同邊界條件下，土衛二海水交代核部岩石釋放1mM磷酸根所需的時間。
上述發現首次揭示了土衛二海水中有比較高的溶解態磷。結合前人的研究，土衛二海水中將含有豐富的六大生源元素（CHONPS），有利於生命的起源和微生物的生存。本研究成果彌補了土衛二海水宜居性研究的空白，為未來發射冰衛星載荷，探測土衛二海洋中可能的生命信號提供了科學參考。此外，本研究構建的土衛二水-岩相互作用模型未來也可以應用到研究其他營養元素以及其他冰衛星海洋。
圖5.土衛二海水交代核部岩石釋放大量磷酸根的示意圖。
本研究受到科技部重點研發計劃（2021YFA0718200）、中科院人才項目入選者計劃-青年項目、中國科學技術大學“雙一流”建設經費以及CIFAR Azrieli Global Scholarship等項目的支持。本文的第一和通訊作者為郝記華研究員，共同通訊作者為Christopher Glein研究員；第一和通訊單位為中國科學技術大學。
全文鏈接：https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2201388119