科研進展

廣州地化所:“石頭會產氧”—地球初始氧的礦物起源

發布時間:2023-03-21 來源:廣州地球化學研究所
  氧氣(O2)是人類與動物呼吸的必需物質,但在早期地球大氣中幾乎沒有氧氣,直至第一次大氧化事件(The Great Oxidation Event,24.5–23.3億年前)之后,大氣中才開始有氧氣的積累,此后出現了真核生物等復雜生命。因此,地球初始氧的起源是解譯地球宜居性演化與生命進化的關鍵。
  在過去的40多年時間里,大氣光化學反應一直被認為是早期地球初始氧的主要來源,其核心是H2O解離形成過氧化氫H2O2(H2O2分解可形成O2)。但近年的研究發現,大氣光化學反應產生的H2O2通量極低,不足以支持產氧光合作用進化等重要過程。2021年,中國科學院廣州地球化學研究所何宏平研究員團隊發現,在機械外力作用下,礦物-水界面反應可產生H2O2和·OH等活性氧(ROS),并提出由此產生的非生物氧化劑觸發了藍細菌祖先產氧光合作用進化。但值得注意的是,現有的研究認為地球行星環境中的非生物氧化劑主要起源于H2O的解離,真的是這樣嗎?
  近日,中國科學院廣州地球化學研究所何宏平研究員團隊圍繞“地球初始氧的起源”這一關鍵問題,在模擬早期地球大氣環境(PO2<10-6 atm)下,采用同位素示蹤技術解剖了石英-水界面反應過程并發現,H2O2和O2中的氧主要源自礦物表面基團(過氧自由基),只有少量的·OH源自H2O的解離,氧原子在礦物-水-大氣三相界面上發生快速交換(圖1)。在機械外力作用下,硅酸鹽礦物-水界面可以不斷釋放活性氧,而且這種作用廣泛存在于風化剝蝕、河流沖刷、構造運動等地質過程中,構成了早期地球非生物氧化劑的重要來源。
  

 

  圖1. 硅酸鹽礦物-水界面反應生成H2O2的兩種機制
  這一重要發現顛覆了“地球初始氧來源于H2O分解”的傳統認識,揭示了礦物表面提供早期地球的初始氧。該成果及團隊的近期相關工作(Nature Communications, 2021; Communications Earth & Environment, 2023)系統闡述了礦物-水界面反應的產氧機制及其在地球宜居性演化過程中的重要作用,揭示了這種非生物氧化劑是巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈協同演化的一種內在動力(圖2)。該系列工作促進了人們對早期地球表面環境的認識從“均一的還原狀態”向“局部存在氧化環境”轉變,并為生命起源理論和地外生命探測提供了重要啟示。礦物機械化學氧化劑導致的無機“氧綠洲”很有可能也存在于火星等其他類地行星上,產生適宜生命起源和演化的化學梯度條件,對于探索火星生命也具有重要的指導意義。
  

 

  圖2. 早期地球礦物起源的ROS產生過程
  該研究得到了國家杰出青年基金(No. 41825003)和國家自然基金(No. 41921003,41888101,42202037,42102028,42073013)的聯合資助。研究成果于3月20日發表于《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)。
  論文信息:Hongping He(何宏平)*,Xiao Wu(吳逍),Jianxi Zhu(朱建喜),Mang Lin(林莽),Ying Lv(呂瑛),Haiyang Xian(鮮海洋),Yiping Yang(楊宜坪),Xiaoju Lin(林梟舉),Shan Li(李珊),Yiliang Li(李一良),H. Henry Teng(滕輝),Mark H. Thiemens*, 2023. A mineral based origin of Earth's initial hydrogen peroxide and molecular oxygen. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. DOI: 10.1073/pnas.2221984120

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