黄童童 | 林巍等：有机质生命信号的双矿物协同保护

论文信息：黄童童，申建勋，刘立，郝佳龙，陈妍，席佳鑫，林巍*. A dual-mineral protection mechanism for organic matter preservation and its implications for Mars habitability and biosignature detection [J]. Communications Earth & Environment, 2026. DOI: 10.1038/s43247-026-03992-0.

如果火星早期存在生命，今天还能找到它们留下的痕迹吗？早期火星曾具有湖泊、河流等环境，但经过数十亿年强烈的宇宙辐射和持续的氧化作用，绝大多数有机质等生命信号可能已经被破坏了。今天，当人类的探测器登陆火星，还能找到火星早期留下的生命痕迹吗？这是火星生命信号研究中最关键的科学问题。

近年来，黏土矿物和蒸发盐矿物逐渐成为火星有机质保存研究中的重要对象。黏土矿物具有较大的比表面积，可以吸附有机分子，能在一定程度上减少辐射和氧化作用对有机质的破坏。石膏、石盐等蒸发盐矿物在水体蒸发结晶时，能够将其中的有机质、矿物颗粒以及流体一起封存在晶体内部，形成类似“时间胶囊”的微小包裹体。火星上广泛分布着黏土矿物和硫酸盐、氯盐等蒸发盐，二者常在同一区域内共同出现，但此前的研究大多分别关注黏土或蒸发盐对有机质的单独保存作用。如果黏土和蒸发盐同时存在，它们会不会形成一种协同的保护机制，进而有利于极端环境下有机质的长期保存？

图1 柴达木盆地的采样位置及样品特征。A. 样品采集位置（红色五角星为采集自大浪滩的石膏样品位置；黄色五角星为采集自大风山的石盐样品位置）；B. 石膏采样点附近的剖面。暗色层为硅质碎屑沉积夹石膏，浅色层为硅质碎屑沉积；C-E. 硅质碎屑层中的石膏；F. 含石盐晶体的盐壳；G. 盐壳的横截面视图；H. 从盐壳中采集的堆晶状石盐晶体

为了回答这一科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所行星科学与前沿技术重点实验室的博士后黄童童与合作导师林巍研究员等，联合中国科学院广州地球化学研究所的研究人员， 选择我国柴达木盆地西部这一天然的类火星区域作为研究区（图1），综合分析了该地区石膏和石盐晶体内部微小包裹体及其对有机质保存的作用。柴达木盆地是地球上典型的极端干旱地区之一，经历了湖泊蒸发和干旱化过程，发育有丰富的石膏和石盐等蒸发盐矿物以及黏土矿物，在沉积记录中保存了从湿润环境向干旱蒸发环境转变的信息。这种环境演化与火星诺亚纪晚期至西方纪早期气候从相对湿润逐渐转变为干旱的过程具有较好的类比性。因此，柴达木盆地的蒸发盐和黏土矿物可以作为研究极端环境下有机质长期保存的天然样品。

图2 石膏和石盐晶体及其包裹体的显微照片。A. 石膏晶体薄片；B. 石膏中原生（P）、次生（S）、假次生（PS）和随机分布（R）的固体包裹体示意图；C. 石盐晶体薄片；D. 石膏内沿晶面定向排列的固体包裹体的局部放大视图；E. 石膏内随机分布的固体包裹体（橙色箭头）；F. 石盐晶体内平行于晶面排列的流体包裹体（红色箭头）；G. 石膏的拉曼光谱；H. 石盐中的流体包裹体，橙色箭头指示含有机质的包裹体；I-J. 石膏内包裹体的可见光（I）及荧光（J）图像；K-L. 石盐内包裹体的可见光（K）及荧光（L）图像

研究团队系统研究了柴达木盆地石膏和石盐晶体内部的微小包裹体（图2）。这些包裹体是在矿物晶体生长过程中形成的，相当于被矿物晶体封存在内部的微型环境。通过显微观察，在石膏中发现了固体包裹体，在石盐中发现了大量流体包裹体，其中一些包裹体内部还可以观察到橙色颗粒以及棕黑色物质（图2）。部分橙色颗粒在紫外光下表现出明显的粉红色荧光，这一特征与类胡萝卜素等生物源有机质相符。随后，利用拉曼光谱对这些包裹体进行分析，结果发现其中一些颗粒具有非常典型的β-胡萝卜素拉曼特征峰，同时部分包裹体还出现了干酪根的特征峰，表明这些矿物晶体中的包裹体保存了有机质。

图3 石膏和石盐内包裹体的图像及拉曼光谱，红色圆圈指示激光拉曼分析点位。A-I. 石膏内固体包裹体及拉曼光谱。包裹体含β-胡萝卜素（橙色箭头），部分包裹体含石膏（黑色箭头）；J-R. 石盐内含β-胡萝卜素（橙色箭头）的流体包裹体及拉曼光谱。星号表示β-胡萝卜素的三个拉曼峰。图中彩色阴影条指示黏土矿物的拉曼光谱波数范围，对应3700-3600 cm -1 （蓝色，包括3700-3680 cm -1 、3670-3650 cm-1和3630-3610 cm -1 ）、880-860 cm -1 （绿色）、800-700 cm -1 （紫色）、600-500 cm -1 （橙色）和270-250 cm -1 （粉色）。水的拉曼光谱由棕色阴影条（3505-3485 cm -1 ）标示。H中的D峰和G峰分别代表无序峰和石墨峰。Q中的黑色五角星指示锐钛矿的五个拉曼峰

值得注意的是，在含有机质的包裹体中还同时观察到了具有黏土矿物特征的光谱信号（图3）。为了进一步证实该现象，研究团队使用扫描电子显微镜和能谱仪（SEM-EDS）观察包裹体内部的微观结构及元素组成（图4）。结果显示，包裹体内部存在大量细小的片状、层状颗粒，单个颗粒粒径约为1微米。这些颗粒富含硅、铝和氧，在元素组成上显示出黏土矿物的特征。此外，碳集中分布在黏土颗粒附近，表明在微米尺度上，有机质和黏土矿物并不是彼此孤立的，而是呈现出空间共生关系。

图4 石膏内固体包裹体的光学图像、SEM图像、EDS元素面分布图、拉曼光谱及NanoSIMS元素面分布图。A. 石膏内固体包裹体的光学图像；B. 图A中所示固体包裹体的SEM图像；C-F. 图B中包裹体的EDS元素面分布图，分别显示元素O（C）、Al（D）、Si（E）和C（F）的分布；G-H. 包裹体的拉曼光谱，显示干酪根的D峰（~1320 cm -1 ）和G峰（~1597 cm -1 ），以及黏土矿物羟基（OH - ）峰（3700~3600 cm -1 ）。C=C、C–C和–CH₃对应的峰表明存在β-胡萝卜素。I-L. 包裹体的NanoSIMS元素面分布图，分别显示12C（I）、12C14N（J）、16O（K）和28Si（L）的分布

进一步综合（微米）X射线衍射仪（XRD）、拉曼光谱、SEM-EDS、纳米二次离子质谱仪（NanoSIMS）和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）等多种技术手段获得的数据（图3和图4），对包裹体中的黏土矿物进行了表征。结果显示，这些黏土矿物可能是富铁的蒙脱石族矿物，同时伴有高岭石的存在，而伊利石的识别则相对不确定。上述多种分析方法都揭示出有机质与黏土矿物在石膏和石盐包裹体中普遍具有密切的共生关系，并且多种证据均指示黏土矿物具有碎屑来源成因。

图5 石膏内固体包裹体中有机质的NanoSIMS δ 13 C 数据（-39.3 ±12.4‰ 至-80.2±11.3‰）。红色圆圈代表测得的δ 13 C 值。绿色和棕色阴影区域为微生物细胞通过CO 2 固定和CH 4 氧化的不同途径产生的碳同位素组成对比。CO 2 固定途径包括3-羟基丙酸循环（3-HP）、还原性三羧酸循环（TCA）、还原性戊糖磷酸循环（即卡尔文循环）（PP），以及乙酰-CoA途径，后者又分为从CO 2 生成甲烷或乙酸盐等代谢产物的物种（AP-MP）和不生成这些产物的物种（AP）。CH 4 氧化途径包括利用核酮糖单磷酸途径（RuMP）或丝氨酸途径（S）的细菌甲烷氧化作用，以及甲烷厌氧氧化作用（AOM）。AOM上的箭头表示该途径导致δ 13 C 可以更亏损（例如-130‰）。

碳同位素组成分析为评判这些有机质的潜在来源提供了线索。有机碳表现出较轻的碳同位素组成，符合生物分馏的特征，可能指示同时存在CO 2 固定和CH 4 氧化这两种生物代谢途径（图5）。利用微生物学方法分析了柴达木盆地现代土壤微生物的基因组，发现部分微生物具有进行CO 2 固定的代谢潜力，并观察到与甲烷代谢相关的基因，表明现代柴达木盆地微生物具有上述代谢潜力，为认识包裹体中的古老有机质来源提供了参考。

基于上述发现，研究团队提出了“黏土吸附+蒸发盐封存”的有机质生命信号双矿物协同保护机制。首先，黏土矿物由于具有较大的比表面积而吸附有机质，形成对有机质的初次保护；随后，随着液态水不断蒸发，水体盐度升高，石膏、石盐等蒸发盐开始结晶，有机质-黏土矿物的聚合体被正在生长的蒸发盐矿物捕获进矿物晶格形成包裹体，蒸发盐矿物对进入内部的黏土-有机质形成二次保护。

图6 盐湖环境中石膏和石盐内有机质（OM）保存的示意图

这种机制可以简单理解为矿物给有机质的保存设置了两道防线。第一道防线是黏土矿物，它负责“抓住”有机质并形成初次保护；第二道防线则是蒸发盐晶体，它负责把黏土和有机质聚合体进一步封存起来进行二次保护。相比于单独一种矿物，这种协同保护过程可能更有利于有机质抵御长期的辐射、氧化和其他破坏作用。该研究在石膏和石盐的包裹体中都发现了类似的有机质与黏土共存的现象，据此推测有机质的双矿物保护可能是一种具有普遍意义的矿物协同保存机制。

上述研究结果对于火星生命信号探寻具有重要的参考意义。早期火星湖泊在逐渐干涸的过程中，可能同样经历黏土输入、有机质吸附以及蒸发盐结晶等过程。因此，火星上黏土和蒸发盐共存的古老湖泊沉积环境应在未来的任务中予以重视，该区域不仅指示火星曾经拥有液态水和较宜居的环境，而且矿物中可能保存着古老有机质甚至潜在生命活动留下的信息。