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利用FTIR和拉曼光谱技术,探测地外生命

作者:本站   发布时间:2024-07-12




傅立叶变换红外光谱(FTIR)技术和拉曼光谱技术为人类与地外生命的首次会面提供了绝佳机会,使得探测地外生命这项太空任务不再只是科幻故事。




太空——最后的边界


人类是唯一的智慧生物吗?这是从哲学到天体生物学等众多学科探索的核心主题。尽管我们设计了各种迥然不同的方法来试图解决这一问题,但各个学科仍然面临一个核心问题——人类到底在寻找什么?

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这是我们的新外星人朋友吗?我不太确定……那些家伙看起来有点怪异,不是吗?


探测地外生命

对于地外生命,我们脑中有着多种多样的猜想,因为很大程度上受到了科幻小说的影响。然而,尽管我们热衷于预想人类与外星物种首次接触会是怎样的画面,但事实上,我们需要稍微捋顺思路——至少目前,这些猜想过于超前。

为什么呢?因为我们首先最有可能遇到的外星人不是小绿人,而是微小的微生物,或者更有可能是它们的遗骸。乍听起来有点可怕,是吧?毕竟寻找外星微生物远比学习瓦肯举手礼(科幻电影《星际迷航》中用于问好的手礼)更具挑战性。

事实上,这相当于俗话所说的“大海捞针”。微生物非常小,而且很快就会衰退,因而要探测这些微生物——尤其是在其他星球上,是非常困难的。而且在火星这样的行星上,宇宙射线形成的电离辐射还会加速微生物的衰退。因此,我们还需解答这样一个问题:如何确定微生物是否曾在某个星球上生存?

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细菌以化石形式保存下来的可能性极低——尤其是在现代火星等恶劣条件下。


生物矿物——更能承受环境变迁的“外星生物”

答案是寻找所谓的生物矿物。生物矿物是生物体通过生物介导的过程而形成的矿物质。这些矿物质可作为结构支撑、防御机制,或者在生物体的代谢途径中发挥重要作用。

在火星上,超嗜热微生物的生物铁还原过程可能就是这样一种代谢途径。这些生物在热液系统中增殖,将Fe(III)还原为Fe(II)矿物,例如,磁铁矿或菱铁矿。眼前的困境在于,能否将这些生物矿物与其他非生物过程而形成的类似矿物清楚地区分开来?并且是在距离地球数光年的行星上予以区分?

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请允许我介绍自己——我是雷金纳德·铁矿石先生。

答案是肯定的!我们可能不具备远程传感器或三录仪(《星际迷航》中的科幻设备),但可采用类似的有效工具:FTIR光谱仪和拉曼光谱仪!

   生物矿物,还是非生物矿物?

为探究是否有可能将生物矿物与非生物矿物相区分,研究人员对一系列实验进行了测试。他们培养了能还原Fe(III)的超嗜热泉古菌Pyrodictium delaneyi(P.del)和Pyrobaculum islandicum(P.isl) ,并让这些泉古菌对水铁矿、纤铁矿和Akaganeit铁矿进行生物还原。

此外,他们将起始矿物保留在一种非封闭介质中(作为对照的非生物矿物)。然后收集材料、予以烘干,并通过使用布鲁克设备,分别采用FTIR-ATR光谱和拉曼光谱显微光谱仪技术,对这些材料进行分析。


FTIR-ATR检测结果

FTIR-ATR谱图揭示了生物还原条件和非生物条件下形成的不同矿物之间的铁矿矿种差异。P. delaneyi和P. islandicum在生物还原水铁矿时都生成磁铁矿,分别在542cm-1和320cm-1处呈现吸收峰。

在900–1200cm-1区域,这两种生物都呈现出较宽的吸收带,表明存在磷酸盐(可能源自生长介质)。在1200–1700cm-1区域,由P. delaneyi生物还原的水铁矿呈现出加宽的吸收带。

这种加宽的吸收带可能表明存在碳酸盐、磷酸盐矿物,以及与细胞相关蛋白。这两份非生物矿物样品均呈现出与水铁矿非常相似的特征,仅在900–1200cm-1区域呈现额外吸收峰,表明存在介质相关的磷酸盐或矿物磷酸盐。

由P. delaneyi生物还原的纤铁矿呈现出菱铁矿的迹象,在730、860和1400cm-1处有明显的吸收信号。P. islandicum呈现出生物还原矿物与对照的非生物矿物之间的微小差异。

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水铁矿(左)和纤铁矿(右)及其反应产物的FTIR谱图



拉曼检测结果

拉曼谱图表明,生长介质和热处理的变化引起了水铁矿和纤铁矿的细微矿物变化,以及吸收带向较低波数区域移动。

水铁矿在~710cm-1处呈现出主峰,在695cm-1和735 cm-1处出现高波数特征峰。由P. delaneyi生物还原的水铁矿的吸收带出现在677cm-1和721cm-1处,并向磁铁矿偏移。由P. islandicum还原的水铁矿的吸收带则略向较低波数区域偏移。

添加了P. delaneyi的纤铁矿非生物对照矿物(未加热和加热后)的吸收带移向较低波数区域,特别是从1056cm-1处向1073cm-1偏移。生物还原的纤铁矿在382cm-1和1057cm-1处的吸收带也显示出向较低波数区域的偏移。

由P. delaneyi生物还原的纤铁矿在294cm-1和1084cm-1处呈现出独特特征,表明可能存在碳酸亚铁相。

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水铁矿(左)和纤铁矿(右)及其反应产物的拉曼谱图









生物矿物能否作为地外生命存在的证据?研究表明,FTIR和拉曼光谱技术确实可用来评估矿物是通过生物还原过程还是非生物过程而形成的。虽然未来有待更深入的研究,但生物矿物或许真地能够为我们无声地讲述古老地外生命的故事。

说不定未来的宇航员会携带布鲁克ALPHA红外光谱仪或SENTERRA显微拉曼光谱仪去执行太空任务呢!无论如何,我们布鲁克也热切期待着FTIR和拉曼光谱仪投入到太空应用。

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未来某项火星任务中使用的SENTERRA II



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