日本东北大学研究生院理学研究科的吉田辰哉特任研究员、寺田直树教授、小山俊吾（博士生）、东京大学研究生院理学系研究科的中村勇贵特任研究员，以及北海道大学研究生院理学研究院的仓本圭教授合作宣布，构建出了一种综合考虑大气中多种化学反应以及宇宙空间大气流失的大气演化模型，推算了富含氢和甲烷的太古地球大气的演化过程以及演化过程中的有机物生成情况，从而揭示了太古地球表面可能存在沉积了厚达数百米有机物层的时期。这一成果预计将为解开地球生命起源之谜提供新线索。相关研究成果已于10月22日发表在国际学术期刊《Astrobiology》上。
图1. 本研究推测的太古地球上伴随有机物生成的大气演化过程概念图（供图：东北大学、©Yoshida et al）
近年来对地球形成的研究显示，地球材料物质中的大部分富含金属铁。由于金属铁具有较强的还原性，所以当时的地球大气被认为与现在大不相同，主要由富含氢和甲烷的成分构成。
这种大气非常不稳定，水蒸气因紫外线照射而发生高效电解，就会生成高反应性的羟基自由基等导致氧化的分子，从而促进一氧化碳和二氧化碳等氧化物的生成。
另一方面，在富含氢和甲烷的大气中，以甲烷为起点的有机物和氧化物的生成规模会在多大程度上或在何种时间尺度上进行，此前一直不清楚。
为此，研究团队构建了一种考虑到大气中多种化学反应以及大气向宇宙空间的流失的大气演化模型，推算了富含氢和甲烷的太古地球大气的演化过程以及其间有机物的生成情况。
模型计算的结果表明，当氢向宇宙空间流失后，大气转变为以甲烷为主的阶段，甲烷生成的乙炔等碳氢化合物气体屏蔽紫外线，显著抑制了水蒸气的电解和随后的甲烷氧化。这表明大气相对促进了有机物的生成。
研究发现，由于生成的有机物的紫外线自屏蔽效应，甲烷中的大部分有可能转化为有机物，并最终沉积在地表，形成了厚达数百米的有机物层。
这些有机物中还含有构成生命材料的氨基酸和核酸的前体物质。因这些物质沉积于地表，导致高浓度含有这些物质的海洋和湖泊形成，之后的化学演化有可能促进了生命的诞生。
近年来，火星地表已经发现了种类丰富的有机物。通过将这些数据与行星探测获得的数据比较，有望加深对地球大气演化和生命起源的普遍性和独特性的理解。
吉田特任研究员表示：“我们一直预测远古地球的大气可能在生命起源中起到了重要作用，并围绕这一假设进行了研究。这次的结果远远超出了我们的预期。今后，我们希望以该研究为基础，将地球上的物质科学证据和行星探测等获得的其他行星相关发现结合起来，加深对地球演化直至生命诞生这一谜团的理解。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Astrobiology
论文：Self-Shielding Enhanced Organics Synthesis in an Early Reduced Earth's Atmosphere
DOI:10.1089/ast.2024.0048
