土星卫星恩塞拉达斯的海洋对生命来说金属不足

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发布日期：2025-04-12 18:11 点击次数：83

关于地球外的海洋，推测生命必须的微量金属的行为—

新闻发布会

2025.03.19

JAMSTEC

国立研究开发法人海洋研究开发机构

1 .发表要点

土星卫星恩塞拉达斯※1那么，在冻结的表面下存在地下海洋，可以孕育对生命重要的各种各样的成分和生命海底热液环境※2因为他的存在而备受瞩目。本研究通过实验和计算推测了生命所必需的微量金属元素在地中海的浓度和行为。

水中微量金属的浓度由海水和岩石之间的化学反应决定，特别是钴和铜等部分金属的浓度，已表明在恩塞拉达斯的地中海可能会非常低。

在恩塞拉达斯的地中海，即使生命所需的其他成分丰富，也可能因为部分微量金属不足而限制了生命的活动。此次，首次通过实验验证了外星海洋中生命所必需的微量金属。

图片

图1土星卫星恩塞拉达斯内部的想象图。表面冰层下是地中海，海底由岩石构成。表面存在裂缝，海水从地中海喷出。海底被认为存在海底热液环境。研究人员发现，虽然各种成分从海底岩石中溶出，但生命所需的金属很难溶出，可能存在不足。

用语解说

※1

土星卫星恩塞拉达斯

土星的第二卫星。也称为土卫二或土卫二。被冰覆盖的表面下，是由液态水的地中海和岩石组成的岩心。

※2

海底热液环境

海底下通过地热加热水，向海里喷出的环境。

2 .概要

国立研究开发法人海洋研究开发机构(理事长大和裕幸，以下称为“JAMSTEC”。 )超先铫研究开发部门的丹秀也Young Research Fellow、涉谷岳造主任研究员等人通过与东京科学大学地球生命研究所关根康人教授的共同研究，明确了土星卫星恩塞拉达斯的地中海中，对生命来说重要的金属元素存在不足的可能性。

土星卫星恩塞拉达斯内部有液体的地下海洋，作为满足生命可能存在条件的天体备受瞩目。本研究通过再现恩塞拉达斯在地中海化学反应的实验和计算，调查了生命所必需的微量金属元素的行为。结果表明，生命必需成分中钴等一部分微量金属不足可能会限制生命活动。通过本研究，首次通过实验验证了生命必需的微量金属在地球外海洋中的行为。

本成果于3月19日(日本时间)刊登在《日本地理研究: planets》上。本研究是在日本学术振兴会科学研究费补助金(课题编号: 22k 21344、23h 00144、23k 13158 )的支持下实施的。

论文信息

标题

metal limiting habit ability in Enceladus？ avail ability of trace metals for methanogenic life in hydrothermal fluids

作者

丹秀也1,2关根康人2涩谷岳造1

所属

海洋研究开发机构超先进研究开发部门

东京科学大学地球生命研究所

DOI

10.1029/2024JE008591

3 .背景

恩塞拉达斯是土星的卫星之一，为了满足生命所必需的条件——液态水、有机物和能量，受到了人们的关注。从恩塞拉达斯的地下海水向宇宙空间喷出，美国航空宇宙局( NASA )的探测器通过将其采集并调查，明确了海洋中含有二氧化碳、氢、有机物等各种成分。 2015年，还发现存在海底热液环境(见附件)文献1-2)。海底热液环境作为地球生命诞生的可能性很高的地方备受瞩目。此外，2023年，包括本成果的研究小组在内的国际共同研究表明，海底岩石中溶解了大量的磷( 1998年)文献3)。磷是与生命活动相关的各种成分的材料，所以是地球所有生命的必需营养素。在地球上，一种叫做“产甲烷菌”的微生物以氢气和二氧化碳为能源生存。恩塞拉达斯的地下海洋含有丰富的氢气和二氧化碳，因此推测只要是这样的生命就可以生存。

因此，恩塞拉达斯被期待为地球外最有可能存在生命的天体之一。但是，丰富的能源和磷并不一定是有生命的证据。地球上的生命以消耗能源和营养素的形式生存着，但在恩塞拉达斯，丰富的能源和磷没有被确认实际消耗在生命中，也有可能是生命活动本身不活跃。另一方面，能源和磷的存在本身为了支持生命生存的可能性，本研究从另一个轴对恩塞拉达斯的生命活动进行了探讨。

4 .成果

本研究关注了恩塞拉达斯地下海洋中微量的金属元素，这是至今为止没有被研究过的。钴、镍、铜、锌、钼等微量金属，包含在地球的产甲烷菌进行生命活动所需的酶的成分等中。这些微量金属对人类等大生命来说也是生存必需的成分，在地球的海洋中，海底热水环境成为供给源之一。众所周知，产甲烷菌如果缺乏这些元素，也就不能进行活跃的活动。但是，由于微量金属正如字面所示是量很少的元素，所以至今为止没有在恩塞拉达斯的海水中检测到。另外，恩塞拉达斯的其他外星海洋，作为重要因素，迄今为止也没有受到关注。

在本研究中，模拟了恩塞拉达斯海水的含有二氧化碳等的水溶液和海底的岩石被认为是相似的组成碳质陨石※3通过使的粉末在高温下反应，进行了模拟在恩塞拉达斯海底从岩石中溶出成分的实验( )图2）。

图片

图2实验及其结果示意图。使用分别模拟恩塞拉达斯海水和海底岩石的水溶液和岩石粉末，通过使它们在高温下反应的装置进行了实验。与岩石反应后的水溶液中，镍等金属溶解析出较多，而钴和铜的浓度非常低。

结果表明，微量金属中镍、锌、钼较多地从岩石粉末中溶出，溶解到地球产甲烷菌所需的浓度。另一方面，发现钴和铜不能溶解到产甲烷菌所需的浓度。

微量金属包含在实验中使用的岩石中被称为硫化矿物的成分中，海水中的浓度由从硫化矿物中溶出的化学反应决定。此外，通过计算还显示，在恩塞拉达斯的海底热水环境条件下，镍的浓度可能高于海水中的浓度，但发现即使在海底热水环境下，镍也达不到产甲烷菌所需的浓度。这被认为是恩塞拉达斯的海底热水环境与地球热水环境相比，由于低温而难以溶解，另外水质呈碱性，含有大量氢，这也是钴浓度降低的理由。

假设恩塞拉达斯的生命需要与地球产甲烷菌同等量的微量金属，那么钴和铜可能在海中短缺，这些微量金属的短缺限制了生命活动。结果，可以认为现在恩塞拉达斯存在的丰富的能源和磷很少被生命消耗掉。

用语解说

※3

碳质陨石

陨石的一种，也被称为碳质球粒陨石。含有大量太阳系诞生时的物质，被认为构成了恩塞拉达斯等远离太阳的天体的岩石。

五.今后展望

在今天的地球上，像产甲烷菌这样的生命常常因为在恶劣的环境下能源和营养素不足而限制其活动。其中也发现了通过改变获得能量的方法来适应的微生物( 1998年)文献4-5)。另一方面，在恩塞拉达斯，尽管生命的能源和营养素充足，但由于一部分微量金属不足，生命活动可能受到限制。如果恩塞拉达斯有生命的话，可以预想它对于能源的不足也会做出与地球上的微生物不同的适应。

在世界范围内，正在研究以恩塞拉达斯为对象的新一代探测计划，讨论发现生命及其身体成分的方法。恩塞拉达斯生命所拥有的酶等成分，在所含微量金属的种类等方面，可能与地球的产甲烷菌不同。本成果是首次就地球以外的海洋，通过实验验证了与生命相关的微量金属的浓度和行为的研究，可以说为今后的宇宙生命研究增加了新的轴心。