综述：跨时空热液喷口：地球与其他星球动态流通系统的实验模拟

《Earth-Science Reviews》：Hydrothermal vents through space and time: experimentally simulating dynamic flow-through systems on Earth and other worlds

本综述系统阐述了实验室模拟热液喷口系统的前沿进展，重点探讨了化学花园（chemical garden）、微流控（microfluidics）和高压反应器等实验技术如何重现地球及其他天体（如欧罗巴、恩克拉多斯）热液环境中的矿物沉淀、有机合成及生命起源相关过程。文章指出当前模拟技术在重现时间动态变化、生物相关有机分子合成与保存及极端压力环境方面仍存挑战，为未来地外生命探测和地球早期生命研究提供了关键实验方向。

　　

热液喷口系统的组成

深海热液系统形成于高温、化学性质独特的流体从海底排放到海洋中的过程。这种过程导致陡峭的地球物理化学梯度发展，诱导矿物沉淀和潜在的有机合成。热液系统记录了地球最早生命的证据，贯穿整个地球地质历史，并被认为存在于其他天体上，如木星的卫星欧罗巴和土星的卫星恩克拉多斯。由于现代地球上的海洋热液环境难以接近，而其他行星体上的热液环境根本无法直接探测，实验室模拟热液喷口系统已成为一个快速发展的领域。

作为动态系统的喷口

热液喷口是远离平衡的动态系统，通常位于构造活动区，因此会随时间发生剧烈变化。理解这些系统需要研究时间依赖性变化，实验室模拟也必须考虑这一因素。例如，喷口流体的温度和化学成分（如H₂、CH₄、H₂S）会发生变化，影响矿物相（如硫化物、硫酸盐、硅酸盐）的沉淀和可能支持化学合成微生物群落的能量释放。

热液烟囱沉淀实验类型

由于当前难以直接研究海底热液环境，更不用说在其他行星/月球和地球深部历史中的环境，研究人员寻求在实验室中进行模拟喷口（特别是烟囱沉淀）的实验。这些实验具有挑战性，因为喷口是流通系统，准确的模拟需要在整个沉淀过程中维持梯度。实验方法多种多样，包括“化学花园”实验，其中半透膜在两种不同化学溶液之间的界面形成；微流控装置，可以精确控制小尺度下的流体流动和梯度；以及高压反应器，可以复制深海条件。

在其他天体上的应用

实验模拟对于研究其他行星上过去和/或现在的热液环境也非常有价值，因为这些环境无法直接进入，并且其条件与任何地球环境都有很大不同。例如，土星的卫星恩克拉多斯被认为有一个富含碳的海洋，并可能存在持续的热液活动，这基于卡西尼号航天器收集的数据。木星的卫星欧罗巴目前的热液活动也被提出，但尚未直接观测到。在这些情况下，实验室模拟可以探索在不同于地球的条件下（例如不同的pH值、盐度、压力、氧化还原状态）可能发生的无机和潜在有机化学反应，为未来任务寻找生命迹象（生物标志物）提供信息。

结论与展望

实验室模拟为了解热液喷口系统的复杂化学过程提供了重要途径。流通反应器、电化学实验、微流控和压力反应器等技术的发展，使研究人员能够更好地控制需要测试的变量。然而，在模拟复杂的时间依赖性变化、生物相关有机分子（如氨基酸、脂质）的合成和保存以及进行长时间的高压实验方面仍然存在挑战。未来的研究应侧重于开发更复杂的、集成了多种技术（例如，将电化学与微流控相结合）的实验装置，以更好地模拟自然系统的动态和多方面性质。这对于理解地球及其他天体（如欧罗巴和恩克拉多斯）上活跃和化石热液系统中的潜在过程至关重要。