2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——行星生物地球化學(xué)與進(jìn)化論考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.在行星生物地球化學(xué)循環(huán)中，以下哪項(xiàng)元素的同位素分餾效應(yīng)通常用于指示生物代謝活動(dòng)？A.氧(O)B.鐵(Fe)C.硫(S)D.鋁(Al)2.根據(jù)化學(xué)起源學(xué)說(shuō)，原始地球大氣中含量最豐富的氣體成分被認(rèn)為是？A.氮?dú)?N?)和氧氣(O?)B.氮?dú)?N?)和甲烷(CH?)C.氧氣(O?)和二氧化碳(CO?)D.氫氣(H?)和氨氣(NH?)3.“大氧化事件”主要是指地球大氣中哪種氣體濃度顯著增加的事件？A.氮?dú)?N?)B.氧氣(O?)C.甲烷(CH?)D.一氧化碳(CO)4.以下哪個(gè)天體被認(rèn)為是目前太陽(yáng)系中最有可能存在地外生命的地點(diǎn)之一？A.火星B.木星C.土衛(wèi)二（恩克拉多斯）D.小行星帶5.同位素Δ13C值顯著負(fù)值通常在哪種地質(zhì)或生物過(guò)程中出現(xiàn)？A.化石形成B.光合作用C.微生物分解有機(jī)物D.火山噴發(fā)6.行星宜居性“habitablezone”通常指的是？A.行星表面平均溫度適宜生命存在的區(qū)域B.行星擁有濃厚大氣層的區(qū)域C.行星擁有液態(tài)水的區(qū)域D.行星與恒星的距離適中，能接收到足夠能量的區(qū)域7.以下哪種證據(jù)被認(rèn)為是早期生命在地球上存在的最直接證據(jù)？A.復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造B.微體化石C.變質(zhì)巖石D.星球撞擊記錄8.生物圈通過(guò)光合作用影響行星大氣成分，這個(gè)過(guò)程主要消耗大氣中的哪種氣體，并釋放另一種氣體？A.消耗氮?dú)?，釋放氧氣B.消耗氧氣，釋放二氧化碳C.消耗二氧化碳，釋放氧氣D.消耗甲烷，釋放氮?dú)?.火星地表發(fā)現(xiàn)的某些層狀沉積物被認(rèn)為是古代湖泊或海洋存在的證據(jù)，這主要依據(jù)了？A.礦物成分分析B.同位素地球化學(xué)證據(jù)C.地形地貌特征D.以上都是10.行星生物地球化學(xué)模型的主要目的是什么？A.描述行星表面的顏色B.模擬行星大氣成分隨時(shí)間的變化C.預(yù)測(cè)行星未來(lái)的軌道運(yùn)動(dòng)D.計(jì)算行星的質(zhì)量二、名詞解釋1.生物標(biāo)記物(Biomarker)2.雪球地球(SnowballEarth)3.穩(wěn)定同位素分餾(StableIsotopeFractionation)4.地球化學(xué)循環(huán)(GeochemicalCycle)5.生命起源(Abiogenesis)三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述光合作用對(duì)地球大氣成分演化的重要影響。2.列舉至少三種可能指示早期生命存在或生命宜居環(huán)境的生物地球化學(xué)指標(biāo)。3.解釋什么是“同位素地質(zhì)溫度計(jì)”，并簡(jiǎn)述其基本原理。4.簡(jiǎn)述火星上尋找過(guò)去或現(xiàn)在生命的生物地球化學(xué)探測(cè)策略。四、論述題1.論述地球大氧化事件發(fā)生的原因及其對(duì)行星生物圈演化的深遠(yuǎn)影響。2.分析海洋在地球生物地球化學(xué)循環(huán)（如碳循環(huán)）中扮演的關(guān)鍵角色。3.結(jié)合你對(duì)木衛(wèi)二（恩克拉多斯）或土衛(wèi)二（恩克拉多斯）等冰封衛(wèi)星的研究，論述其可能存在生命宜居環(huán)境的生物地球化學(xué)證據(jù)和挑戰(zhàn)。---試卷答案一、選擇題1.C2.B3.B4.C5.C6.D7.B8.C9.D10.B二、名詞解釋1.生物標(biāo)記物(Biomarker):指由生物體產(chǎn)生、能夠被檢測(cè)到、并可用于識(shí)別生物來(lái)源或生物過(guò)程的有機(jī)或無(wú)機(jī)分子。在行星科學(xué)中，它們是判斷其他天體上是否存在生命或曾經(jīng)存在生命的關(guān)鍵證據(jù)。2.雪球地球(SnowballEarth):指地球表面（包括海洋和陸地）在短時(shí)間內(nèi)幾乎完全被冰層覆蓋的極端氣候狀態(tài)。通常認(rèn)為這是一種全球性的、大范圍的冰期事件，對(duì)早期生命演化產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。3.穩(wěn)定同位素分餾(StableIsotopeFractionation):指在物理或化學(xué)過(guò)程中，由于不同同位素原子質(zhì)量的微小差異，導(dǎo)致它們?cè)谙嚯H分配或反應(yīng)速率上出現(xiàn)差異，從而造成不同樣品中同位素組成（豐度）發(fā)生改變的現(xiàn)象。這種分餾作用廣泛應(yīng)用于追蹤物質(zhì)循環(huán)路徑、指示環(huán)境條件和生物過(guò)程。4.地球化學(xué)循環(huán)(GeochemicalCycle):指化學(xué)元素在地球不同圈層（地殼、地幔、地核、大氣圈、水圈、生物圈）之間進(jìn)行遷移、轉(zhuǎn)化和富集的動(dòng)態(tài)過(guò)程。主要循環(huán)包括碳循環(huán)、水循環(huán)、氮循環(huán)、硫循環(huán)等，這些循環(huán)對(duì)維持行星宜居環(huán)境和調(diào)控氣候至關(guān)重要。5.生命起源(Abiogenesis):指從無(wú)生命物質(zhì)（非生物環(huán)境）通過(guò)自然過(guò)程逐步形成具有生命特征（如自我復(fù)制、新陳代謝）原始生命體的科學(xué)假說(shuō)或過(guò)程。這是理解生命在行星上出現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述光合作用對(duì)地球大氣成分演化的重要影響。光合作用是地球上最重要的生物地球化學(xué)過(guò)程之一。早期（約35億年前），地球大氣中幾乎沒(méi)有游離氧氣(O?)。藍(lán)細(xì)菌等原始光合生物通過(guò)吸收光能，將二氧化碳(CO?)和水(H?O)轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出氧氣(O?)作為副產(chǎn)品。隨著光合生物的繁盛，大氣中O?濃度逐漸累積，最終形成了臭氧層，有效阻擋了有害的太陽(yáng)紫外線(xiàn)輻射，為復(fù)雜生命的出現(xiàn)和演化創(chuàng)造了條件。同時(shí)，光合作用也消耗了大氣中的CO?，改變了大氣成分，并對(duì)全球氣候產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。2.列舉至少三種可能指示早期生命存在或生命宜居環(huán)境的生物地球化學(xué)指標(biāo)。指示早期生命存在或生命宜居環(huán)境的生物地球化學(xué)指標(biāo)包括：*特定的同位素分?jǐn)?shù)：如碳同位素(Δ13C)顯著負(fù)值，通常指示光合作用或有機(jī)物分解；氮同位素(Δ1?N)變化可用于區(qū)分不同類(lèi)型的生物過(guò)程或環(huán)境條件。*生物標(biāo)記物：如特定的烴類(lèi)、氨基酸、類(lèi)脂分子等復(fù)雜有機(jī)分子，其結(jié)構(gòu)特征表明具有生物起源。*礦物的生物地球化學(xué)指紋：如形成于特定pH、鹽度或溫度條件的礦物組合，或具有特殊元素取代（如鈾取代鋯石中的鉿）的礦物記錄。*沉積記錄中的生物痕跡：如疊層石、微體化石等宏觀或微觀生命活動(dòng)留下的沉積構(gòu)造或?qū)嶓w證據(jù)。3.解釋什么是“同位素地質(zhì)溫度計(jì)”，并簡(jiǎn)述其基本原理。同位素地質(zhì)溫度計(jì)是一種利用礦物或水中穩(wěn)定同位素（如氧、氫、碳）之間已知的分餾規(guī)律來(lái)估算形成時(shí)溫度的地球化學(xué)工具。其基本原理是：在特定的物理化學(xué)條件下（如相變、蒸發(fā)-凝結(jié)、礦物結(jié)晶等），不同質(zhì)量的同位素在分子間的分餾程度是相對(duì)固定的，并與溫度密切相關(guān)。通過(guò)測(cè)量現(xiàn)代或古代樣品中特定同位素比值（如δ1?O、δD），并與已知分餾溫度關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)方程或礦物-流體平衡模型對(duì)比，即可反推樣品形成時(shí)的溫度條件。例如，水在蒸發(fā)和凝結(jié)過(guò)程中，較重的同位素(如1?O)更傾向于留在液相或沉積物中，導(dǎo)致氣相（水蒸氣）中輕同位素(如1?O)比例更高。4.簡(jiǎn)述火星上尋找過(guò)去或現(xiàn)在生命的生物地球化學(xué)探測(cè)策略?；鹦巧蠈ふ疫^(guò)去或現(xiàn)在生命的生物地球化學(xué)探測(cè)策略主要圍繞識(shí)別過(guò)去或現(xiàn)在生命存在的潛在宜居環(huán)境以及尋找生命活動(dòng)留下的化學(xué)痕跡展開(kāi)：*確認(rèn)宜居環(huán)境：評(píng)估過(guò)去或現(xiàn)在是否存在液態(tài)水（或冰）、適宜的溫度范圍、能量來(lái)源（如太陽(yáng)光、地?zé)崮?、化學(xué)反應(yīng)能）以及必需的化學(xué)元素和化合物（如碳、氫、氮、氧、磷、硫）。*尋找生物標(biāo)記物：利用光譜學(xué)（如Raman光譜、紅外光譜）、化學(xué)分析（如X射線(xiàn)光電子能譜、離子色譜）等技術(shù)，在巖石、土壤或冰層中探測(cè)有機(jī)分子、含氮有機(jī)物、特定的金屬-硫-磷化合物等可能由生命產(chǎn)生的化學(xué)信號(hào)。*分析礦物證據(jù)：研究可能由生物過(guò)程形成的礦物（如特定結(jié)構(gòu)的碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽）或記錄生物過(guò)程的礦物（如疊層石相關(guān)的礦物組合、生物成因的納米顆粒）。*評(píng)估水活動(dòng)歷史：通過(guò)分析礦物蝕變、沉積層序、古河流或湖泊沉積物等，重建火星的水活動(dòng)歷史，判斷是否存在長(zhǎng)期穩(wěn)定或短暫的宜居窗口。*現(xiàn)場(chǎng)原位探測(cè)：使用機(jī)器人探測(cè)器（如Rover）攜帶先進(jìn)的分析儀器，直接在火星表面或地下（通過(guò)鉆探）進(jìn)行樣品采集和現(xiàn)場(chǎng)分析，以獲得更可靠和直接的證據(jù)。四、論述題1.論述地球大氧化事件發(fā)生的原因及其對(duì)行星生物圈演化的深遠(yuǎn)影響。地球大氧化事件（GreatOxidationEvent,GOE）大約發(fā)生在24-23億年前，其發(fā)生原因主要與早期地球地質(zhì)活動(dòng)和生物演化的耦合有關(guān)。主要原因包括：*光合作用的興起與普及：早期藍(lán)細(xì)菌等光合生物的出現(xiàn)和大量繁殖，開(kāi)始通過(guò)光合作用將大氣中的二氧化碳(CO?)轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并同時(shí)釋放出氧氣(O?)。隨著光合生物生態(tài)位的擴(kuò)展，氧氣逐漸積累。*大氣氧的清除途徑受阻：在GOE之前，火山活動(dòng)等地質(zhì)過(guò)程向大氣中釋放氧氣，但早期海洋中可能存在能夠消耗氧氣的還原性物質(zhì)（如硫化氫H?S）。隨著光合作用產(chǎn)生的氧氣量增加，并逐漸超過(guò)了這些還原性物質(zhì)的消耗能力，氧開(kāi)始在大氣中累積。*關(guān)鍵地質(zhì)事件：可能存在某些全球性事件（如大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)導(dǎo)致溫室氣體釋放被氧化，或海洋化學(xué)條件的改變加速了氧氣的溶解和積累）加速了氧氣的釋放和累積過(guò)程。GOE對(duì)行星生物圈演化的影響是革命性的：*大氣和海洋成分改變：大氣中O?濃度急劇升高，形成臭氧層；CO?濃度顯著下降，導(dǎo)致全球氣候可能經(jīng)歷了顯著的冷卻（雪球地球事件）。*滅絕事件：大量無(wú)法適應(yīng)高氧環(huán)境的厭氧生物滅絕。*新生命形態(tài)的出現(xiàn)：高氧環(huán)境為好氧呼吸（氧化磷酸化）提供了強(qiáng)大的能量來(lái)源，促進(jìn)了真核生物（Eukaryotes）的出現(xiàn)和演化，因?yàn)楹醚鹾粑蔬h(yuǎn)高于無(wú)氧呼吸。*生物圈演化新階段：GOE標(biāo)志著地球生物圈從以無(wú)氧微生物為主體的階段，向以復(fù)雜、多樣化真核生物為主體的階段轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，為后來(lái)復(fù)雜生命（包括多細(xì)胞生物）的演化奠定了基礎(chǔ)。2.分析海洋在地球生物地球化學(xué)循環(huán)（如碳循環(huán)）中扮演的關(guān)鍵角色。海洋是地球生物地球化學(xué)循環(huán)，特別是碳循環(huán)中不可或缺的關(guān)鍵場(chǎng)所，其關(guān)鍵角色體現(xiàn)在多個(gè)方面：*巨大的碳儲(chǔ)存庫(kù)：海洋占據(jù)了地球表面約71%的面積，蘊(yùn)含著比大氣中高出數(shù)十倍的碳，是地球上最大的活躍碳儲(chǔ)存庫(kù)。其中，海洋生物泵將大量碳從表層輸送到深海和沉積物中，長(zhǎng)期儲(chǔ)存。*碳酸鹽體系的主導(dǎo)：海洋中的碳循環(huán)主要通過(guò)碳酸鈣體系（CO?+H?O<=>H?CO?<=>HCO??<=>CO?2?+Ca2?）進(jìn)行。海洋吸收大氣中的CO?，形成碳酸氫鹽和碳酸鹽，這些碳酸鹽是海洋生物（如珊瑚、貝類(lèi)、鈣化藻類(lèi)）構(gòu)建外殼和骨骼的主要原料。生物死亡后，這些骨骼和外殼沉降到海底，成為沉積巖（如石灰?guī)r）的組成部分，實(shí)現(xiàn)碳的長(zhǎng)期埋藏。*調(diào)節(jié)大氣CO?濃度：海洋通過(guò)物理吸收（直接溶解大氣CO?）和生物泵作用，吸收了人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的約25-30%的額外CO?排放，對(duì)緩解全球變暖起到了重要的緩沖作用。海洋吸收CO?的能力受溫度、風(fēng)化、生物活動(dòng)等多種因素影響。*碳循環(huán)的連接器：海洋將大氣碳循環(huán)、生物圈碳循環(huán)、巖石圈碳循環(huán)緊密聯(lián)系起來(lái)。例如，海洋生物通過(guò)光合作用將大氣碳固定在生物體內(nèi)，死后將碳帶入沉積巖；陸地風(fēng)化作用釋放的碳酸鹽進(jìn)入海洋；海洋沉積物的埋藏是碳從活躍循環(huán)中移除并長(zhǎng)期儲(chǔ)存的關(guān)鍵過(guò)程。*影響全球氣候：海洋通過(guò)吸收和釋放CO?調(diào)節(jié)大氣CO?濃度，進(jìn)而影響地球的能量平衡和氣候。此外，海洋環(huán)流（如thermohalinecirculation）的運(yùn)作也依賴(lài)于海水的物理性質(zhì)（溫度和鹽度），而鹽度又與陸地水循環(huán)和碳酸鹽溶解密切相關(guān)。總之，海洋通過(guò)其巨大的規(guī)模、復(fù)雜的化學(xué)體系、活躍的生物過(guò)程以及與其他地球系統(tǒng)的緊密聯(lián)系，在地球碳循環(huán)的調(diào)控中扮演著核心角色，深刻影響著地球的氣候、化學(xué)成分和生命演化歷史。3.結(jié)合你對(duì)木衛(wèi)二（恩克拉多斯）或土衛(wèi)二（恩克拉多斯）等冰封衛(wèi)星，論述其可能存在生命宜居環(huán)境的生物地球化學(xué)證據(jù)和挑戰(zhàn)。以木衛(wèi)二（恩克拉多斯）或土衛(wèi)二（恩克拉多斯）為例，它們被廣泛認(rèn)為是太陽(yáng)系中除地球外最有可能存在生命宜居環(huán)境的候選地，其潛在的宜居性主要基于以下生物地球化學(xué)證據(jù)：*液態(tài)水海洋的存在：兩者都被認(rèn)為擁有深層的、廣闊的液態(tài)水海洋，這是生命存在的最基本前提。通過(guò)重力測(cè)量、形狀數(shù)據(jù)和衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)推斷，其冰殼下方存在巨大的海洋體積和壓力。*活躍的內(nèi)部地質(zhì)活動(dòng)與熱源：兩者都有顯著的冰下火山活動(dòng)（羽流）和地質(zhì)活動(dòng)跡象，表明其內(nèi)部存在熱源（如木星或土星的潮汐加熱）。這種內(nèi)部加熱維持了冰殼下的液態(tài)水狀態(tài)，并可能驅(qū)動(dòng)海水循環(huán)，為生命提供能量和物質(zhì)運(yùn)移的場(chǎng)所。*水與巖石的相互作用：冰殼下的海洋水與地?；蚝诵牡膸r石物質(zhì)發(fā)生相互作用。這種水-巖石反應(yīng)可以提供生命所需的化學(xué)元素（如碳、氮、磷、硫）和化合物（如氫氣H?，作為潛在的能源），并可能形成復(fù)雜的有機(jī)分子。*潛在的宜居環(huán)境條件：潮汐加熱可能使部分海洋區(qū)域達(dá)到或接近生命可以生存的溫度范圍。盡管表面極低溫，但冰下深處可能存在相對(duì)溫暖和穩(wěn)定的“宜居帶”。*生命必需化學(xué)物質(zhì)的供應(yīng)：從地幔或核心釋放到海洋中的物質(zhì)，可能包含構(gòu)成生命基礎(chǔ)的元素和前體分子。例如，土衛(wèi)二羽流中探測(cè)到的