16 Apr

应用报告 | 牛津仪器EDS&EBSD助力早期地球生命演化机制的研究

​近日，耶鲁大学的BenjaminL. Hess等人在《Nature-Communications》上发表了题为《Lightningstrikes as a major facilitator of prebiotic phosphorus reduction on early Earth》的研究论文。作者提出，在早期地球上，闪电击中地表黏土会形成磷铁石（Fe₃P），这一机制是生命演化所需活性磷的一个广泛且连续的来源。

地球上的生命大约产生于35亿年前。活性磷广泛存在于生物分子如DNA、RNA、磷脂和ATP中，是生命演化过程中的重要参与元素。地球上非生命形态的磷元素主要以PO₄^3-的形式存在于矿物（如磷灰石）中，不能有效地溶解于水。

以前的研究认为，陨石中的副矿物陨磷铁镍矿（[Fe,Ni]₃P）是早期地球上活性磷的主要来源。因为陨磷铁镍矿中遇到水后，会形成水合活化磷化物以及一些中间态的含磷物质，为早期生命起源提供关键的有机分子，如甘油磷酸盐、核苷和胆碱磷酸。根据估算，从冥古宙到太古宙早期，陨石撞击地球引入的活性磷化物约为10^5~7kg，这种观点认为其他来源的活性磷很少。

图1 闪电管石样本的结构以及其中关键矿物Fe₃P的鉴定

BenjaminL. Hess等在论文中提出，闪电可能是早期地球上活性磷的强劲且持续的来源。关键的证据是作者在2016年美国伊利诺斯州的雷击中形成的闪电管石中发现了大量的磷铁石（Fe₃P），如图1所示。闪电管石的芯部和边缘交界的孔隙处存在大量的含铁颗粒。经过牛津仪器的AZtecEDS系统和EBSD（型号Symmetry）联用鉴定，其中一些颗粒是磷铁石，另外的一些为自然铁颗粒。

自然界许多物质成分相近但是晶体结构迥异，未知相的鉴别是一项具有挑战性的工作。牛津仪器的EDS和EBSD配合使用可以轻松应对这一难题。在样品上找到需要鉴别的未知相，EDS和EBSD分别采集成分信息和衍射花样。软件会根据成分信息从晶体学数据库中筛选出候选相，之后与衍射花样匹配，给出优秀的相鉴定结果。该研究中，磷铁石的准确鉴定使新的活性磷来源模型的建立成为可能。

图2 早期地球上闪电轰击地表产生活性磷的机制示意图

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