液態(tài)水是支持地球生命活動的重要環(huán)境因素，也是天體宜居性的重要指標。早期火星表面曾有大量液態(tài)水，但隨著大氣逃逸與干旱化過程的加劇，其表面逐漸受到強烈蒸發(fā)作用的影響，因此早期火星水化學(xué)的演變過程及是否可能保存生命活動痕跡一直是天體生物學(xué)研究的重要科學(xué)問題。我國西北部的柴達木盆地是世界上面積最大、海拔最高的荒漠之一，發(fā)育了眾多類火星地貌，具有劇烈溫度變化、低氣壓、高輻射、強蒸發(fā)、高鹽度、多鹽湖等特征，可以類比早期火星環(huán)境。柴達木盆地多種類型的水環(huán)境為認識火星早期水環(huán)境演變提供了一個天然類似體。

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星磁場及宜居性學(xué)科組的申建勛博士后與合作導(dǎo)師林巍研究員，聯(lián)合中國科學(xué)院頁巖氣與地質(zhì)工程重點實驗室的黃天明研究員等，在柴達木盆地緯向中軸線的典型類火星環(huán)境中，沿干旱梯度分別采集了大氣降水、雨/雪后積水、濕地、鹽湖、鹵水等不同類型共計26個水樣（圖1），對這些樣品開展了系統(tǒng)的水化學(xué)和同位素研究。

圖1 柴達木盆地水樣采集的地理位置

研究發(fā)現(xiàn)隨著蒸發(fā)程度的加劇，樣品中的陰離子從碳酸(氫)根離子型逐漸演變?yōu)榱蛩岣x子/氯離子混合型甚至氯離子型，陽離子則從以鈣/鈉離子混合型為主逐漸變?yōu)橐枣V離子或鈉離子為主（圖2），這與火星上的鹽分特征相似，暗示了火星上可能曾經(jīng)歷過類似的蒸發(fā)過程。其中在結(jié)晶度最高的水樣中碳酸(氫)根離子低于飽和值，表明存在碳酸(氫)根離子流失的途徑，例如在酸性環(huán)境中形成氣態(tài)二氧化碳等過程。這些水化學(xué)演化特征可能有助于解釋火星表面碳酸鹽礦物難探測的現(xiàn)象。無機碳與有機碳同位素的分析結(jié)果表明，柴達木水環(huán)境中可能存在微生物固碳作用、生物源貧13C碳酸鹽流失、河流或大氣富13C碳酸鹽累積等生命和非生命過程（圖2）。硝酸根離子中的氮氧同位素與水分子氧同位素和大氣氮同位素的比較研究，指示了在蒸發(fā)程度較低的區(qū)域中存在依賴生命活動參與的硝酸鹽-水氧同位素交換以及硝酸鹽還原作用（圖2）。進一步結(jié)合鹵氧化物和溶解磷含量檢測，發(fā)現(xiàn)在蒸發(fā)作用較強的水環(huán)境中已經(jīng)存在鹵氧化物保存和形成的條件，低于檢出下限的磷可能是水生微生物的限制性營養(yǎng)元素。該研究揭示了柴達木盆地的水化學(xué)和同位素信號的變化及其生命信號的保存特征，為認識早期火星潛在生境中的水化學(xué)、氧化脅迫、營養(yǎng)元素、同位素信號等天體生物學(xué)相關(guān)研究問題提供了啟示。

圖2 柴達木盆地類早期火星水環(huán)境演化及潛在生命信號的概念圖

成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊STOTEN（申建勛，黃天明，張慧卿，林巍*. Hydrochemical and isotopic characteristics of water sources for biological activity across a massive evaporite basin on the Tibetan Plateau: Implications for aquatic environments on early Mars [J]. Science of The Total Environment, 2024, 935: 173442. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2024.173442.)。研究受國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所等聯(lián)合資助。

編輯：萬鵬