我們非常熟悉的碳、氫、氧和氮，都是生命的必需元素，正是它們的存在才使地球生命成為可能。當我們追尋生命起源的開端時，更進一步的問題是，這些元素又是從哪裡來到地球上的？

近日，一項發表在《自然·天文學》上的新研究找到了有助於解決這場長期爭論新證據。科學家發現了地球上氮元素的來源。他們推斷，如今包括地球在內的巖質行星中的氮是內外太陽系物質的混合。隕鐵中氮的同位素特徵表明，在地球形成過程中，它可能不僅會從木星軌道之外的區域收集氮，還會從來自內原行星盤的塵埃中獲得氮元素。

如今的太陽系包含8顆行星，它們都誕生於古老的原行星盤中。太陽系有時會被大致劃分為兩個區域，更靠近太陽的內太陽系包含4顆較小的行星，主要由岩石和金屬構成，屬於巖質行星；而離太陽更遠一些的外太陽系則有4顆巨大的氣態行星。

巖質行星透過最初的“種子”（也被稱為原行星）不斷吸積周圍的塵埃，在內原行星盤中生長，最終形成了現在的樣子。科學家一直認為，內太陽系的溫度過高，導致氮和其他揮發性元素無法凝結成固體，也就是說，內原行星盤的揮發性元素應該是氣相的。那麼由此推斷，誕生之初的原行星似乎不會含有氮或者其他揮發性物質，這些物質必須從外太陽系透過某種方式輸送過來。

想要清楚地瞭解過去的發生的故事，需要藉助一些特殊的“信使”——隕鐵就是其中之一。它們是原行星核的殘餘物，能夠為我們提供來自古老太陽系的資訊。

比如，近年來不少研究分析了隕鐵（和隕石）中的非揮發性元素後發現，對於非揮發性元素而言，內外太陽系的塵埃具有完全不同的同位素組成。

受到這些研究的啟發，研究團隊想知道類似的情況是否同樣適用於揮發性元素。如果是這樣的話，這些資訊就可以反過來確定如今巖質行星的揮發物來自哪一片“儲藏區域”。

在對隕鐵進行分析後，研究人員確實發現了一種明顯的氮同位素特徵：所有來自內原行星盤的隕鐵都含有濃度較低的氮-15同位素，而來自外盤的隕鐵則富含氮-15。這說明，在太陽系誕生的最初幾百萬年內，原行星盤分成兩個氮的“儲藏區”，外盤富氮-15同位素，而內盤則富含氮-14。

太陽系原行星盤氮元素的同位素分佈示意圖（不反映真實細節）。| 製圖：雯雯子；圖片參考：Amrita P. Vyas / Rice University

這完全改變了目前通常認為的說法。這項結果表明，揮發性元素從一開始就存在於內原行星盤的塵埃中，它們很可能以耐熔有機質的形式存在。這意味著，包括地球在內的巖質行星從一開始可能就吸積了這些塵埃，巖質行星最初的“種子”應當同樣包含揮發性物質。

瞭解生命必需的揮發性物質的起源，對於評估巖質行星的潛在宜居性至關重要。

參與新研究的科學家Rajdeep Dasgupta認為，這一發現對那些系外行星潛在宜居性的研究意義重大。Dasgupta是美國CLEVER行星專案的首席科學家，這個專案主要研究的是生命必需的元素如何聚集在遙遠的系外行星上。他因此對這一新發現格外感興趣。

對太陽系原行星盤更深入的認識，可以幫助我們推演其他原行星盤的情況。用Dasgupta的話說，我們現在可以推測，“在其他原行星盤中，即使沒有發生那種會導致外部區域富含揮發性物質滲透進內部區域的行星遷移事件，更靠近恆星的巖質行星可能仍然可以從鄰近區域獲得揮發性物質”。

#創作團隊：

文字：Takeko

插圖：雯雯子

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

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

原行星盤：NASA/JPL-Caltech

太陽：NASA/SDO (AIA)

木星：NASA Goddard

地球：NASA/GSFC/NOAA/USGS