地球上的氮元素，是从哪里来的？

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Takeko，插图：雯雯子，题图来自：视觉中国

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我们非常熟悉的氢、碳、氮和氧，都是生命的必需元素，正是它们的存在才使地球生命成为可能。当我们追寻生命起源的开端时，更进一步的问题是，这些元素又是从哪里来到地球上的？

有关生命必需的挥发性元素的来源一直以来都是学界争论的焦点之一。了解这些元素从何而来，不仅能够提供线索告诉我们内太阳系的岩石行星是如何形成的，还能让天文学家回溯到太阳系诞生之初，了解到古老的原行星盘的动力学。

近日，一项发表在《自然·天文学》上的新研究找到了有助于解决这场长期争论新证据。科学家发现了地球上氮（N）元素的来源。他们推断，如今包括地球在内的岩质行星中的氮是内外太阳系物质的混合。陨铁中氮的同位素特征表明，在地球形成过程中，它可能不仅会从木星轨道之外的区域收集氮，还会从来自内原行星盘的尘埃中获得氮元素。

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如今的太阳系包含8颗行星，它们都诞生于古老的原行星盘中。太阳系有时会被大致划分为两个区域，更靠近太阳的内太阳系包含4颗较小的行星，主要由岩石和金属构成，属于岩质行星；而离太阳更远一些的外太阳系则有4颗巨大的气态行星。

岩质行星通过最初的“种子”（也被称为原行星）不断吸积周围的尘埃，在内原行星盘中生长，最终形成了现在的样子。科学家一直认为，内太阳系的温度过高，导致氮和其他挥发性元素无法凝结成固体，也就是说，内原行星盘的挥发性元素应该是气相的。那么由此推断，诞生之初的原行星似乎不会含有氮或者其他挥发性物质，这些物质必须从外太阳系通过某种方式输送过来。

想要清楚地了解过去的发生的故事，需要借助一些特殊的“信使”——陨铁就是其中之一。它们是原行星核的残余物，能够为我们提供来自古老太阳系的信息。

比如，近年来不少研究分析了陨铁（和陨石）中的非挥发性元素后发现，对于非挥发性元素而言，内外太阳系的尘埃具有完全不同的同位素组成。

受到这些研究的启发，研究团队想知道类似的情况是否同样适用于挥发性元素。如果是这样的话，这些信息就可以反过来确定如今岩质行星的挥发物来自哪一片“储藏区域”。

在对陨铁进行分析后，研究人员确实发现了一种明显的氮同位素特征：所有来自内原行星盘的陨铁都含有浓度较低的氮-15同位素，而来自外盘的陨铁则富含氮-15。这说明，在太阳系诞生的最初几百万年内，原行星盘分成两个氮的“储藏区”，外盘富含氮-15同位素，而内盘则富含氮-14同位素。

太阳系原行星盘氮元素的同位素分布示意图（不反映真实细节）。| 制图：雯雯子；图片参考：Amrita P. Vyas / Rice University

这完全改变了科学家过去的认知。这项结果表明，挥发性元素从一开始就存在于内原行星盘的尘埃中，它们很可能以耐熔有机质的形式存在。这意味着，包括地球在内的岩质行星从一开始可能就吸积了这些尘埃，岩质行星最初的“种子”应当同样包含挥发性物质。

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了解生命必需的挥发性物质的起源，对于评估岩质行星的潜在宜居性至关重要。

参与新研究的科学家Rajdeep Dasgupta认为，这一发现对那些系外行星潜在宜居性的研究意义重大。Dasgupta是美国CLEVER行星项目的首席科学家，这个项目主要研究的是生命必需的元素如何聚集在遥远的系外行星上。他因此对这一新发现格外感兴趣。

对太阳系原行星盘更深入的认识，可以帮助我们推演其他原行星盘的情况。用Dasgupta的话说，我们现在可以推测，“在其他原行星盘中，即使没有发生那种会导致外部区域富含挥发性物质渗透进内部区域的行星迁移事件，更靠近恒星的岩质行星可能仍然可以从邻近区域获得挥发性物质”。

参考来源：

https://news.rice.edu/2021/01/21/much-of-earths-nitrogen-was-locally-sourced/

https://www.nature.com/articles/s41550-020-01283-y

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