氧氣（O2）是人類與動(dòng)物呼吸的必需物質(zhì)，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(xiàn)了真核生物等復(fù)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(jìn)化的關(guān)鍵。
在過去的40多年時(shí)間里，大氣光化學(xué)反應(yīng)一直被認(rèn)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(fā)現(xiàn)，大氣光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的H2O2通量極低，不足以支持產(chǎn)氧光合作用進(jìn)化等重要過程。2021年，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所何宏平研究員團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在機(jī)械外力作用下，礦物－水界面反應(yīng)可產(chǎn)生H2O2和·OH等活性氧（ROS），并提出由此產(chǎn)生的非生物氧化劑觸發(fā)了藍(lán)細(xì)菌祖先產(chǎn)氧光合作用進(jìn)化。但值得注意的是，現(xiàn)有的研究認(rèn)為地球行星環(huán)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(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所何宏平研究員團(tuán)隊(duì)圍繞“地球初始氧的起源”這一關(guān)鍵問題，在模擬早期地球大氣環(huán)境（PO2<10-6 atm）下，采用同位素示蹤技術(shù)解剖了石英－水界面反應(yīng)過程并發(fā)現(xiàn)，H2O2和O2中的氧主要源自礦物表面基團(tuán)（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(fā)生快速交換（圖1）。在機(jī)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(fēng)化剝蝕、河流沖刷、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等地質(zhì)過程中，構(gòu)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(yīng)生成H2O2的兩種機(jī)制
這一重要發(fā)現(xiàn)顛覆了“地球初始氧來源于H2O分解”的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，揭示了礦物表面提供早期地球的初始氧。該成果及團(tuán)隊(duì)的近期相關(guān)工作（Nature Communications, 2021; Communications Earth & Environment, 2023）系統(tǒng)闡述了礦物－水界面反應(yīng)的產(chǎn)氧機(jī)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(xié)同演化的一種內(nèi)在動(dòng)力（圖2）。該系列工作促進(jìn)了人們對(duì)早期地球表面環(huán)境的認(rèn)識(shí)從“均一的還原狀態(tài)”向“局部存在氧化環(huán)境”轉(zhuǎn)變，并為生命起源理論和地外生命探測(cè)提供了重要啟示。礦物機(jī)械化學(xué)氧化劑導(dǎo)致的無機(jī)“氧綠洲”很有可能也存在于火星等其他類地行星上，產(chǎn)生適宜生命起源和演化的化學(xué)梯度條件，對(duì)于探索火星生命也具有重要的指導(dǎo)意義。
圖2. 早期地球礦物起源的ROS產(chǎn)生過程
該研究得到了國(guó)家杰出青年基金（No. 41825003）和國(guó)家自然基金（No. 41921003，41888101，42202037，42102028，42073013）的聯(lián)合資助。研究成果于3月20日發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)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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