液态水是支持地球生命活动的重要环境因素，也是天体宜居性的重要指标。早期火星表面曾有大量液态水，但随着大气逃逸与干旱化过程的加剧，其表面逐渐受到强烈蒸发作用的影响，因此早期火星水化学的演变过程及是否可能保存生命活动痕迹一直是天体生物学研究的重要科学问题。我国西北部的柴达木盆地是世界上面积最大、海拔最高的荒漠之一，发育了众多类火星地貌，具有剧烈温度变化、低气压、高辐射、强蒸发、高盐度、多盐湖等特征，可以类比早期火星环境。柴达木盆地多种类型的水环境为认识火星早期水环境演变提供了一个天然类似体。
中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星磁场及宜居性学科组的申建勋博士后与合作导师林巍研究员，联合中国科学院页岩气与地质工程重点实验室的黄天明研究员等，在柴达木盆地纬向中轴线的典型类火星环境中，沿干旱梯度分别采集了大气降水、雨/雪后积水、湿地、盐湖、卤水等不同类型共计26个水样（图1），对这些样品开展了系统的水化学和同位素研究。
图1 柴达木盆地水样采集的地理位置
研究发现随着蒸发程度的加剧，样品中的阴离子从碳酸(氢)根离子型逐渐演变为硫酸根离子/氯离子混合型甚至氯离子型，阳离子则从以钙/钠离子混合型为主逐渐变为以镁离子或钠离子为主（图2），这与火星上的盐分特征相似，暗示了火星上可能曾经历过类似的蒸发过程。其中在结晶度最高的水样中碳酸(氢)根离子低于饱和值，表明存在碳酸(氢)根离子流失的途径，例如在酸性环境中形成气态二氧化碳等过程。这些水化学演化特征可能有助于解释火星表面碳酸盐矿物难探测的现象。无机碳与有机碳同位素的分析结果表明，柴达木水环境中可能存在微生物固碳作用、生物源贫13C碳酸盐流失、河流或大气富13C碳酸盐累积等生命和非生命过程（图2）。硝酸根离子中的氮氧同位素与水分子氧同位素和大气氮同位素的比较研究，指示了在蒸发程度较低的区域中存在依赖生命活动参与的硝酸盐-水氧同位素交换以及硝酸盐还原作用（图2）。进一步结合卤氧化物和溶解磷含量检测，发现在蒸发作用较强的水环境中已经存在卤氧化物保存和形成的条件，低于检出下限的磷可能是水生微生物的限制性营养元素。该研究揭示了柴达木盆地的水化学和同位素信号的变化及其生命信号的保存特征，为认识早期火星潜在生境中的水化学、氧化胁迫、营养元素、同位素信号等天体生物学相关研究问题提供了启示。
图2 柴达木盆地类早期火星水环境演化及潜在生命信号的概念图
成果发表于国际学术期刊STOTEN（申建勋，黄天明，张慧卿，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.)。研究受国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中国科学院地质与地球物理研究所等联合资助。
编辑：万鹏