为什么海底有火山呢（海底为什么会有火山喷发）

深海激光拉曼光谱原位探测系统可对深海热液区的超临界二氧化碳流体进行原位探测。照片由受访者提供

本报记者崔爽

近日，中国科学家在《科学通报》上以封面文章发表了一项科研成果。2016年深海热液航行中，——科考队员在西太平洋深海热液区发现超临界二氧化碳。这也是世界上首次在自然界中发现超临界二氧化碳。科学家认为，此次观测到的超临界二氧化碳含有大量的氮和有机成分，为生命起源和初始有机物的形成提供了新的见解。

什么是超临界二氧化碳？为什么这么难找？记者采访了相关成果的完成者，并请专家解答疑问。

超临界二氧化碳在自然界中很罕见

“超临界二氧化碳是二氧化碳的一种特殊相态，即当纯二氧化碳的温度超过31摄氏度、压力超过73个大气压时，二氧化碳就会以超临界流体的形式存在。”研究团队成员、中科院海洋研究所研究员孙卫东在接受科技日报记者采访时介绍。

“超临界二氧化碳兼有气态和液态物质的特性，扩散速率大，溶解度强，可以大大提高反应速率，因此在有机合成反应中得到广泛应用。”该论文的第一作者、中国科学院海洋研究所研究员张欣说。

之所以在自然界中很难找到它的踪迹，主要是因为超临界二氧化碳的形成条件必须同时满足31摄氏度和73个大气压以上的温度和压力条件。我们生活的普通场景中的大气压只有一个大气压，只有地球深处和深海海底才能满足这样的极压条件。

“然而，以往的观测能力和采样方法无法对地球深处的超临界二氧化碳进行观测和采样。这是因为一旦采样或观测方法改变了超临界二氧化碳的温度和压力条件，超临界二氧化碳的相态就会发生变化。””张鑫说，“近年来，随着深海原位观测技术的进步，特别是深海激光原位拉曼光谱测量技术的出现，无需人工干预即可完成测量。改变被测物体的温度和压力状态。通过测量分析物的成分和结构，可以在深海中观察到自然状态的超临界二氧化碳。”

孙卫东表示，正是由于相关深海原位观测技术的进步，使得探测超临界二氧化碳成为可能。

深海热液区温度、压力满足形成条件

此次发现超临界二氧化碳的地点是西太平洋深海热液区。深海热液也被称为“黑烟囱”，通常与海底岩浆的活动有关。它是海水受热与岩浆中的挥发性物质一起从海底喷出的地质现象。温度可达300至400摄氏度。热液喷发不仅向海洋释放热量，还带来了许多金属元素和气体成分，孕育了丰富的遗传资源和大量的热液硫化物矿床。

1977年，美国载人深潜器“阿尔文”号在2500米深处的海底发现，热液喷口附近生活着密集的生物体，形成了以化学能为基础的生态系统。世界各地的热液区主要分布在洋中脊和弧后盆地扩张中心，是海洋生物的起源地之一。

孙卫东介绍，西太平洋弧后盆地深海热液区喷发的热液流体通常含有大量二氧化碳气体成分，这主要是由于岩浆脱气所致。此次发现超临界二氧化碳的热液区，由于热液区深处不同物质相的分离，热液中的二氧化碳成分被富集，以纯二氧化碳的形式从海底喷出，再加上热量。液体区提供较高的温度和压力条件，使二氧化碳以超临界状态存在。

张欣回忆，2016年“科学”号科考船深海热液航行时，科研人员使用搭载在“发现”号深海ROV上的我国自主研发的深海激光拉曼光谱原位探测系统机器人。在深海热液区发现了超临界二氧化碳流体喷发的热液喷口。利用深海激光拉曼光谱原位探测系统采集了大量原位拉曼光谱，确定被测流体成分为超临界二氧化碳。采用自主研发的深海热液温度探头测量到的超临界二氧化碳喷口温度约为95摄氏度。实验室模拟的超临界二氧化碳拉曼光谱峰与深海原位测量的一致，进一步证实了超临界二氧化碳的相态。

氮的发现为生命起源提供了新的可能性

孙卫东表示，目前地球生命起源有两种主流假说。一种假说认为地球生命起源于地球原始大气的排放，另一种假说认为地球生命起源于深海热液系统。1953年，著名地球化学家、诺贝尔奖获得者哈罗德尤里和他的硕士生斯坦利米勒通过将氢气、甲烷和氮气放入真空玻璃仪器中模拟了原始大气成分，利用电弧放电模拟了自然界的闪电和雷声，最终获得——个氨基酸，是生命不可缺少的蛋白质原料。米勒将实验结果写成论文并公开发表。立即引起轰动，世界各地的科学家纷纷效仿。

“但是，很多研究认为，地球和其他类地行星的原始大气主要是二氧化碳和氮气。也就是说，米勒实验中使用的模拟大气成分仍然与原始大气不同。目前的主流观点是，深海热液系统是生命的起源地。”孙卫东表示，生物学研究表明，超嗜热生物很可能是地球上生命的共同祖先，因此热液系统一直被认为与生命起源密切相关。然而，热液缺乏——氮，而氮是合成氨基酸的关键元素。这是早期生命起源于热液流体假说中最致命的问题。

“这次发现的超临界二氧化碳流体还含有非常高的氮成分。”孙卫东说，这不仅解决了热液生命起源假说中的氮源问题，而且具有诸多特征的超临界二氧化碳还处于早期阶段。地球从无机到有机的过程提供了极好的反应介质。

张欣介绍，此次发现的超临界二氧化碳流体的拉曼光谱还包含大量未知的拉曼峰。他们的归属表明，这些未知峰大多与碳-氢、碳-碳、碳-氮、氮-氢有关，这证明深海热液区喷发的超临界二氧化碳流体很可能含有大量有机物的量。考虑到超临界二氧化碳在甲酸、氨基酸等有机合成中的重要作用，研究团队推测这些未知的有机化合物很可能与氨基酸的合成有关。

由此，这一发现也带来了关于生命起源的新启示。“在形成月球的大碰撞之后，地球的原始大气逐渐形成。此时的原始大气中含有数百个大气压的水蒸气和一百多个大气压的二氧化碳，以及氮气。原始海洋，当温度和压力条件大于31摄氏度和73个大气压时，二氧化碳就会以超临界流体相存在，因此地球表面存在超临界二氧化碳层。”孙卫东进一步解释说，“在水圈和大气的界面上，氮和矿物颗粒可以被致密的超临界二氧化碳吸附。超临界二氧化碳、水和氮在矿物颗粒的催化下，完成从无机到有机的转变。”，并产生有机大分子，例如生命必需的氨基酸。”