铱元素的神奇际遇

背景

铱是铂族金属之一，在地壳中仅含千万分之一。都说物以稀为贵，由于其含量稀少，冶炼不易，铱元素向来有“贵金属”之称。由于其耐腐蚀的身板、岿然不动的脾性，翩翩贵公子铱及其合金、化合物主要应用在工业催化、触点材料、保护涂层材料、电致发光材料等领域[1]。然而，铱元素在远古时期就有着一段神奇的际遇。

图1 铱元素的形态及化学式（图片来源于网络）

1、铱元素与地外撞击理论的提出

6600万年前，一颗直径约为10公里的小行星撞击了地球，在地球上留下了一个直径约为180公里的陨星坑。这个陨星坑被称为“奇克苏鲁布”[2]，目前处在墨西哥的海岸边。在奇克苏鲁布被发现之前，大约是80年代的初期，地外撞击理论被美国著名物理学家路易斯·阿弗雷兹和他的儿子瓦尔特·阿费雷兹提出[3]，该理论认为小行星撞击地球之时，一幅世界末日的图景发生了：小行星高速运动向地球靠近，其摩擦大气层所产生的巨大能量使得地球物质融化甚至气化；海水倾覆，大量海洋生物被抛向内陆并瞬间掩埋；撞击激起大量浓烟和灰烬，这让下方的一切急剧升温，持续性高温引发的全球性大火，造成更多的尘埃物质、烟灰等悬浮在大气层中，将地球包裹的严严实实。太阳的光穿透不了这遮天蔽日的浓雾，地球陷入黑暗之中长达两年[4]。这次撞击导致了地球上75%生物的灭绝。

图2 “奇克苏鲁布”陨星坑（图片来自于网络）

科学家们在墨西哥湾的海底火山口挖掘了近三千米的岩芯，通过对岩芯进行研究后发现，撞击发生后，大量小行星的富铱尘埃长时间悬浮在大气层中。一般而言，铱元素在地核和地幔中的含量相对地壳来说更充沛些，地壳中的铱元素平均质量比例只有百万分之0.001，表现为极度的亏损，而太阳系中的铱元素含量就更为丰富了，远远超出地球中铱元素的含量。因此他们认为，如此高的铱异常，不大可能是由于地质运动造成的地球内部铱元素溢出，这很有可能与地外物质有关。也就是说，富铱尘埃最终落回到地表，被土壤、植被等吸收富集而造成的铱异常。经过对铱元素含量和分布的进一步研究，最终形成了这套地外撞击理论。这一成果被誉为80年代世界十大自然科学成果之一。

2、恐龙蛋化石中异常的铱元素含量

铱元素含量的多寡常用来作为区分地外物质和地壳物质的指标。恐龙蛋是恐龙在地球上繁衍的主要载体，不仅可以反应恐龙的繁衍习性，而且其在地层中富集埋葬规律也可以反映出恐龙生存时期的古环境信息。科学家对恐龙蛋和围岩处的铱元素含量进行对照比较后，发现铱元素在恐龙蛋化石和对应围岩中的含量都普遍较高；在同一枚蛋化石中，铱元素的含量也不是一致的，一般来说在蛋化石剖面的中、上段，铱元素含量会更高一些。恐龙蛋化石样品中最高铱元素含量为5.65×10- 11 g/g，平均铱元素含量约为1.00×10- 11 g/g；而围岩中铱元素的含量却高于恐龙蛋化石，最高铱元素含量达到6.56×10- 11 g/g，铱元素平均含量为3.26×10- 11 g/g[5]。

图3 出土的恐龙蛋化石（图片来源于网络）

蛋内铱元素的增高，极有可能是通过食物渠道的富集作用进入到恐龙体内的。即在恐龙妈妈体内时，铱元素就通过物质的交换来到了生物体中，母体中的铱元素又传递到恐龙蛋中造成了污染，这些蛋极有可能是一些元素异常而根本无法孵化的“病蛋”。恐龙属于卵生动物，恐龙蛋的孵化成功率直接决定了恐龙种群的繁盛与否。而早期对恐龙蛋进行埋藏学研究时，发现多数蛋化石都是破壳保存。在少量的保存完好的蛋化石里也很少发现恐龙骨骼胚胎的保留。基于以上现象，考古学家们推测：如果是因为铱元素含量过高导致大量恐龙蛋发育受损或不易孵化，在后期的地质作用（如流水搬运）过程中又遭到部分破坏，从而造成恐龙数量锐减也就不足为奇了。

曾经称霸世界的恐龙到底是如何覆灭的？从那数十米高的恐龙化石中，我们得以窥见曾经的辉煌与悲壮。直接导致恐龙灭绝的原因到现在为止还没有科学的、权威的定论，科学界的争论和探究还在继续，真正的真理我们永远只能趋近，而不能够真正地达到。那时到底发生了什么，也许只有恐龙自己知道……

3、铱元素在癌症治疗中的应用

Ir(III)配合物在一定程度上可以抑制肿瘤细胞的生长，是有望接替铂类药物的新型抗癌试剂[6]。Ir(III)配合物稳定性高、水溶性好、易于合成和结构修饰，这为研究者们开发微调Ir(III)配合物的结构来改善其抗肿瘤活性提供了方便。光动力治疗（PDT）是抗癌研究领域的新途径，光敏剂选择与使用是光动力治疗的核心要素，提高光敏剂的靶向选择性以及低暗毒性是PDT研究的热点。由于Ir(III)配合物在乏氧条件下依然具有很强的产生氧气的能力，在PDT光敏剂的研发领域备受青睐。

英国华威大学及中国中山大学的科学家使用金属铱研发了一种消灭癌细胞的新方法，而且还不会伤害人体的健康细胞。他们的研究发现已经在德国《应用化学》杂志上发表。研究小组使用金属铱及有机材料制成了一种化合物，该化合物注射进入癌细胞之后能够将癌细胞中的氧气转化为活性的单态氧，该活性氧通过凋亡或坏死来杀死病变部位的细胞。尽管该项研究目前还处在试验阶段，但它为我们提供了全新的思路和方法。

图4 光动力学疗法和铱配合物（图片来源于网络）

铱元素以其神奇的际遇，向人类揭示着远古的秘密，助力人类面临的难题。在星辰大海和人类共同体面前，铱元素占据着重要的地位。