火山闪电促进地球生命起源的地质证据

2024 年 2 月 13 日

生物体内每个细胞中的每个蛋白质分子都含有氮，但大气中丰富的 氮分子对生物来说毫无用处，因为将它们结合在一起的三键实在太强大了。通过分解氮分子并将游离氮与氧或氢结合（这一过程称为固定），生物体可以利用大气中的氮。固氮可以通过多种方式完成，包括细菌和藻类的生物加工、高能工业肥料生产和雷击。

火山闪电，就像 2010 年冰岛火山喷发的火山灰羽流中看到的那样，可能是非生物固定氮的重要来源。

如果没有化肥工厂、藻类或细菌为地球上的生命提供固定氮，地球的出现就需要非生物固氮。闪电网络一直是该过程来源的主要候选者。实验室实验和理论模型表明，火山闪电尤其可能发挥了至关重要的作用，因为火山灰和气体羽流促进了最高的雷击率。然而，到目前为止，在地质记录或当今的火山喷发中尚未发现大量非生物固定氮。

索邦大学的艾德琳·阿罗斯凯（Adeline Aroskay）和埃尔万·马丁（Erwan Martin）及其同事正在火山沉积物中寻找硫酸盐，硫酸盐会导致与火山喷发相关的气候变化。他们转向土耳其和秘鲁干旱环境中的岩石，其中可溶性硫酸盐分子将被保存下来，不会随着时间的推移被水冲走。除了他们期望找到的硫和氯化合物之外，他们还发现了浓度高得惊人的硝酸盐，这是氮的一种固定形式。

通过观察硝酸盐中氧的稳定同位素，研究人员发现它们含有高浓度的氧 17（高达千分之 17），这需要臭氧的贡献，而臭氧富含氧17。研究人员得出的结论是：火山沉积物中的硝酸盐一定是在大气中形成的。“我们发现了天然样品，其中我们有这个过程的最终产品，”马丁说。

利用样本中的硝酸盐浓度和对火山沉积量的估计，他们计算出一次喷发中沉积了多达 282 × 10 的 9次方千克的氮。这与工业化肥一年的产量处于同一数量级。但足以固定如此多氮的大规模火山活动很少见——可能每十万年发生一次——保存高度溶解的硝酸盐所需的干旱条件也是如此。因此，以前在火山沉积物中没有发现它们也就不足为奇了。

（A. Aroskay 等人，Proc. Natl. Acad. Sci. USA 121，e2309131121，2024。）
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