元素起源 我们是“一颗小小的星尘”

王兴

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元素起源 我们是“一颗小小的星尘”  精选

已有 1398 次阅读 2016-11-1 08:32

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生物生存环境和当今生物地球化学研究领域是由我们所在银河系的相对化学元素丰度决定的，同时受这些元素在地球表面的浓度和再分布的影响。


所有关于化学元素起源的模型都源自宇宙中元素的相对丰度。对元素丰度的估算来自于遥远银河系恒星的光谱辐射和太阳的辐射（Ross and Aller 1976）。分析陨石为我们提供了太阳系元素组成信息。以下两点是显而易见的：（1）除了锂（Li）、铍（Be）和硼（B）以外，原子序数小于30 的“轻”元素在陨石中要比“重”元素丰度高；（2）尤其在“轻”元素中，相似原子质量的双原子序数元素比单原子序数元素丰度更高。



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太阳系中元素相对丰度，即所谓的宇宙丰度。本图横坐标以原子序数排列，纵坐标为元素丰度（对数值），以硅=1 000 000 为比例进行绘制。
来源：Brownlee（1992）以Anders and Grevesse（1989）数据绘制。
图中文字：log Abundance（Si=6）：丰度对数（Si = 6）；Atomic Number：原子序数。

天体物理学的中心理论认为宇宙始于约137 亿年前的大爆炸（The Big Bang）（Freedman and Madore 2010）。大爆炸会引起理论上的基础粒子（即夸克）经核聚变形成质子（1H）和中子，质子和中子进一步核聚变形成一些简单的原子核（2H、3He、4He 和小部分7Li）。详见Malaney 和Fowler（1988）、Pagel（1993）和Copi 等（1995）的研究。大爆炸后，宇宙开始进一步向外扩张，温度和压力快速降低，在星际空间通过核聚变进一步产生更重的元素。另外，原子质量为5 和8 的元素不稳定，大爆炸形成的高丰度元素（即1H 和4He）不会通过核聚变产生相应的持久性重元素。因此，大爆炸理论可以解释原子质量小于7Li 的元素起源，但是，更重元素则起源于10 亿年后宇宙恒星的形成。

关于恒星内更重元素合成的模型由Burbidge 等（1957）首先提出，他列举了一系列在大质量恒星进化过程中可能合成更重元素的途径（Fowler 1984，Wallerstein 1988，Trimble 1997）。随着恒星的进化，恒星核内氢（H）经核聚变转化为氦（He），其丰度逐渐降低。当核聚变产生的热能逐渐冷却，恒星在其重力的作用下开始向内塌陷。这种塌陷增加了恒星内部温度和压力，直至He 经两步核聚变反应形成碳（C），即所谓的“氦过程”（triple-alpha process）。首先，



然而，8Be 同时快速分裂成为4He，但是少量的8Be 短暂存在，在合适的条件下与氦聚变反应产生碳：



这一所谓的氦“燃烧”反应的主要产物是12C，而反应速率决定了碳在宇宙中的丰度（Oberhummer et al. 2000）。16O 由一个12C 和一个4He 聚变生成，而14N 则是一个12C持续与质子聚合。当He 的供应开始下降时，第二阶段的恒星塌陷开始，大质量恒星内发生一系列核聚变反应（Fowler 1984）。首先，两个12C 原子核聚变成24Mg（镁），部分镁丢失一个a粒子（4He）形成20Ne（氖）。接着，氧燃烧产生32S，相当部分硫丢失一个a粒子生成28Si（硅）（Woosley 1986）。

大质量恒星上发生的一系列核聚变反应是宇宙中一直到铁的偶数原子序数元素形成的主要合成途径，也就是所谓的“星体核合成反应”（Fowler 1984，Trimble 1997）（小恒星，比如我们的太阳，没有完全经历所有的反应和持续燃烧，正逐渐变成白矮星）。这些核聚变反应释放能量，不断形成稳定的原子核（Friedlander et al. 1964）。然而，生成比铁重的原子核需要更多的能量，因此，恒星核主要由铁组成，不能进一步发生核聚变。这导致恒星灾难性的塌陷和爆炸，形成我们认为的超新星。更重的元素在稳定恒星（S过程）内部深处或者在超新星形成的爆炸过程（R 过程）中通过铁不断捕获中子而形成（Woosley and Phillips 1988，Burrows 2000，Cowan and Sneden 2006）。一颗超新星可将所有的恒星组成成分以热气体形式散入宇宙空间（Chevalier and Sarazin 1987）。

这一模型诠释了一系列关于宇宙化学元素丰度的观测现象。首先，除了构建宇宙的基础元素氢和氦以外，元素丰度随其原子序数增加呈对数下降。但是，随着宇宙的成熟，在恒星进化过程中越来越多的氢将被转化成更重的元素。天体物理学家认为年轻的第二代恒星，比如我们的太阳，形成于以前超新星的残留物，因为它们比至今仍以氢燃烧反应主导的、早期形成的第一代恒星含有丰度更高的铁和更重的元素（Penzias 1979）。我们应该感谢大质量恒星的核聚变反应，使它们形成了大多数生命所必需的化学元素。

其次，由于第一阶段通过核聚变形成的所有元素（除锂外）都具有偶数原子质量（如4He 和12C），宇宙中偶数原子序数轻元素相对丰富。奇数原子序数轻元素是在大质量恒星内部（S 过程），其原子核通过捕获一个中子形成和更重的偶数原子序数原子核分裂形成的。大多数情况下，奇数原子序数原子核的稳定性要比相邻的偶数原子序数原子核弱，因此，我们可以预测奇数原子序数原子核相对丰度要小些。例如，磷形成的反应：



所以，磷较其元素周期表中相邻的元素Si（硅）和S（硫）的丰度要低。非常有意思的是，因此形成的宇宙低丰度P（磷）在当今地球生物圈中亦是常常缺乏的（Macia et al. 1997）。

而宇宙中Li、Be 和B 的低丰度是由于起始核聚变反应跳过了原子质量为5~8 的原子核，直接生成了12C。显然，大多数的Li、Be 和B 形成于星际空间较重元素受到宇宙射线轰击产生的分裂（Olive and Schramm 1992，Reeves 1994，Chaussidon and Robert 1995）。

这一关于元素起源和丰度的模型给生物地球化学提供了一些基本原则。所有的事物是平等的，我们可以预期形成生命的化学环境亦是比较接近于元素宇宙丰度的。因此，生物化学分子进化的过程也可以预期是优先利用那些原始环境中丰度较高的轻元素。


这样也就不难理解，在生物组织中没有比铁更重的常量元素，并且在这些轻元素中，生物化学必需元素除了痕量的B，没有Li 和Be（Wackett et al. 2004）。生命的组成与宇宙的组成惊人一致，正如Fowler（1984）说的那样，我们是

“一颗小小的星尘”


本文由刘四旦摘编自《生物地球化学：全球变化分析》（原书第三版，（美）威廉·H. 施莱辛格，（美）埃米莉·S. 伯恩哈特编著；俞慎等译；北京：科学出版社, 2016.9）一书“第二章  起源”，标题为编者所加。


ISBN 978-7-03-049918-9
Biogeochemistry
—an Analysis of Global Change

《生物地球化学：全球变化分析》（原书第三版）以地球生命起源到现代的时间尺度和从分子水平到全球水平的空间尺度为视角，系统阐述了地球地质过程的生物学过程与物质循环。全书分为两部分：第一部分包括大气、陆地、淡水水体和海洋等系统中的微生物和化学过程；第二部分包括一系列短章节，用于解释第一部分章节涉及的相关机理及大尺度生物地球化学循环过程。本书引用了超过4500 篇文献，提供了丰富的图、表及章节间相互引用，有助于读者较全面地了解生物地球化学研究的历史进程与当今前沿。本书为交叉学科著作，可供生物学、环境科学、生态学、地质学、农业科学等领域的学生和相关研究人员阅读参考。

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