火星表面具有豐富的水活動歷史，可能曾具有較宜居的環(huán)境，是行星科學和天體生物學的研究熱點。探尋生命信號一直是火星探測任務的重要科學目標之一。蒸發(fā)巖類礦物（如硫酸鹽、碳酸鹽、氯化物等）在火星表面廣泛分布，不僅指示了早期水活動的歷史，也是保存生命信號的重要載體。蒸發(fā)巖類礦物在結(jié)晶過程中能夠?qū)⒅車乃w捕獲進礦物晶格之中，形成流體包裹體，如果水體中有生命存在，生命過程產(chǎn)生的信號可能被封存于礦物內(nèi)部而保存下來。
地球上有許多地區(qū)可以類比火星在不同演化階段的環(huán)境特征，為認識火星環(huán)境演化和探索火星可能生命信號提供了新視角。研究地球類火星區(qū)域蒸發(fā)巖類礦物流體包裹體中生命信號的保存和識別對火星生命信號探測具有啟示意義。我國西北部的柴達木盆地是海拔最高、面積最大的干旱荒漠之一，具有寒冷、干旱、高輻射等極端環(huán)境條件，發(fā)育了大量蒸發(fā)巖礦物和類火星地貌，可以類比火星諾亞紀晚期至西方紀早期表面液態(tài)水逐漸減少、氣候由濕向干過渡期的環(huán)境，是開展火星類比研究的重要區(qū)域。
近日，我所行星科學與前沿技術(shù)重點實驗室的博士研究生黃童童，在導師林巍研究員的指導下，聯(lián)合中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所殷宗軍研究員等，在柴達木盆地西北部的類火星多邊形鹽殼采集了堆晶狀石鹽樣品（圖1），綜合利用巖相學觀察、顯微熒光成像、激光拉曼光譜分析等方法對石鹽礦物流體包裹體開展了系統(tǒng)研究。
圖1?柴達木盆地采樣地點。(a)?柴達木盆地在中國西部的位置（綠色區(qū)域）；(b)?本研究采樣區(qū)位于柴達木盆地西北部（紅色五角星）；(c)?采樣點的多邊形鹽殼地貌；(d)?多邊形鹽殼；(e)?可見新鮮石鹽礦物顆粒的鹽殼剖面
研究發(fā)現(xiàn)，石鹽流體包裹體中保存著豐富的β-胡蘿卜素、不飽和脂肪酸以及干酪根（圖2）。β-胡蘿卜素是生物過程形成的光合作用色素，是一類典型的生命信號。不飽和脂肪酸和干酪根在特定條件下可通過費-托反應等無機途徑合成，但這類過程多發(fā)生在熱液等高溫環(huán)境，而它們在柴達木盆地表層鹽殼這一低溫環(huán)境中的存在，更可能源自生命活動。
圖2?流體包裹體和對應的拉曼譜圖（包裹體內(nèi)的紅色圓圈表示激光拉曼的探測點位）。包裹體中包含β-胡蘿卜素（黃色箭頭）和硬石膏（黑色箭頭）。（a-f）不同包裹體中β-胡蘿卜素及其對應的拉曼光譜；（g-h）單個包裹體中同時存在硬石膏和β-胡蘿卜素；（i-j）包裹體及其對應拉曼光譜，拉曼峰位于1017、1156和1519 cm?1指示β-胡蘿卜素的存在，位于433、632和1017 cm?1的拉曼峰指示硬石膏的存在；（k-l）包裹體中含有干酪根（拉曼峰位于1357和1613 cm?1）和β-胡蘿卜素；（m-n）包裹體中含有不飽和脂肪酸；（o）圖2n中黑色矩形區(qū)域內(nèi)2800 cm?1至3050 cm?1波數(shù)范圍的曲線擬合結(jié)果
對柴達木盆地西北部的土壤微生物宏基因組數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)屬于放線菌門（Actinobacteriota）、綠彎菌門（Chloroflexota）、芽單胞菌門（Gemmatimonadota）、裝甲菌門（Armatimonadota）、藍細菌門（Cyanobacteria）等類群的微生物基因組中具有參與β‐胡蘿卜素合成的相關(guān)關(guān)鍵基因crt（圖3）。在超過60%的組裝基因組中都存在crt基因，表明這些微生物的代謝產(chǎn)物可能是β-胡蘿卜素的來源之一。進一步研究發(fā)現(xiàn)，部分石鹽流體包裹體中不僅保存了有機質(zhì)，還含有硫酸鹽礦物硬石膏，這些硬石膏與β‐胡蘿卜素共存。拉曼光譜面掃描分析也表明同一個流體包裹體內(nèi)β‐胡蘿卜素和硬石膏呈現(xiàn)出明顯的重合分布特征（圖4）。這些研究結(jié)果指示了微生物可能參與硫酸鹽礦物的形成，因此包裹體內(nèi)的硫酸鹽可能是一種潛在的生命信號指示礦物。該研究未在石鹽流體包裹體中發(fā)現(xiàn)微生物的完整細胞，推測鹽湖表層水體中的微生物可能受紫外輻射、氧化、高鹽度等影響，難以將細胞完整保存下來。此外，柴達木盆地自中更新世以來氣候逐漸變得干旱，引發(fā)鹽湖水體鹽度急劇升高，致使鹽湖宜居性降低，可能導致水體中微生物豐度減少，降低了微生物細胞被礦物捕獲的概率。
圖3?柴達木盆地土壤細菌和古菌基因組中檢測到與類胡蘿卜素生物合成相關(guān)的crt基因。這些基因主要分布在放線菌門（Actinobacteriota）、綠彎菌門（Chloroflexota）、芽單胞菌門（Gemmatimonadota）、裝甲菌門（Armatimonadota）、藍細菌門（Cyanobacteria）等微生物類群
圖4?拉曼面掃描分析顯示包裹體中β-胡蘿卜素和硬石膏的重合分布。（a）與圖2a相同的包裹體的顯微圖像；（b）β-胡蘿卜素的二維成像；（c）硬石膏；（d-e）水和包裹體背景的二維成像；（f）由不同物質(zhì)組成的二維復合成像圖；（g）不同物質(zhì)的拉曼光譜
該研究提出柴達木盆地類火星環(huán)境石鹽流體包裹體中有機質(zhì)生命信號保存的三階段過程（圖5）。在早期淡水湖泊階段，水體環(huán)境宜居性較高，種類多樣的微生物在湖泊中繁盛（圖5a）。受中更新世晚期青藏高原隆升的影響，柴達木盆地海拔逐漸升高，干旱程度逐漸增強，引發(fā)湖泊蒸發(fā)作用增強和鹽度升高，微生物數(shù)量逐漸減少；隨著湖水的持續(xù)蒸發(fā)，石鹽礦物開始結(jié)晶析出，礦物在生長過程中將周圍水體中的有機質(zhì)捕獲進礦物晶格（圖5b）。此后，湖水因蒸發(fā)而干涸，表層被石鹽鹽殼所覆蓋，有機質(zhì)則保存在石鹽礦物中（圖5c）。上述研究表明，石鹽流體包裹體具有保存多種類型有機質(zhì)及生命信號的潛力，火星上富集蒸發(fā)巖礦物的區(qū)域可以作為未來生命信號探測的重點關(guān)注區(qū)域。
圖5?柴達木盆地類火星鹽殼石鹽流體包裹體保存有機質(zhì)的模式圖。(a)?柴達木盆地早期的淡水湖泊中生存著種類多樣的微生物；(b)?湖泊因青藏高原隆生開始蒸發(fā)而結(jié)晶形成石鹽礦物，該過程將有機質(zhì)、硬石膏礦物等捕獲進礦物內(nèi)部；(c)?湖水干涸后形成的干鹽灘，表層被石鹽鹽殼覆蓋
研究成果近期發(fā)表于國際學術(shù)期刊JGR-Planets（黃童童，陳妍，劉立，申建勛，殷宗軍，潘永信，林巍*. Preservation of Organic Matter Within Primary Fluid Inclusions in Late Middle Pleistocene Halite From the Mars-Analog Qaidam Basin [J].?Journal of Geophysical Research: Planets, 2025, 130, e2024JE008566. DOI:?10.1029/2024JE008566.）。研究受國家自然科學基金、中國科學院、中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所聯(lián)合資助。
黃童童（博士生）