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生命起源是最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題之一。深海熱液系統(tǒng)被認為是生命起源的潛在場所，也是探索地外生命的重要關(guān)注點，為早期地球前生命化學(xué)反應(yīng)提供了理想的物質(zhì)和能量，驅(qū)動了非酶催化條件下有機小分子的形成。在此基礎(chǔ)上，礦物催化的有機聚合反應(yīng)，為后續(xù)復(fù)雜生物分子的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)，推動了生命從簡單有機分子到復(fù)雜功能結(jié)構(gòu)的演變，最終導(dǎo)致早期生命形式的出現(xiàn)。

近日，中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所彭曉彤研究員團隊與荷蘭烏得勒支大學(xué)、北京高壓科學(xué)研究中心等國內(nèi)外多家單位合作，在《美國科學(xué)院院報》（PNAS）雜志以封面論文形式發(fā)表最新研究成果，報道了西南印度洋脊巖石圈地殼中的非生物成因有機質(zhì)，并闡述了有機質(zhì)在分子層面的形成機制。這是繼2021年在雅溥海溝發(fā)現(xiàn)地幔巖石中納米級非生物成因有機質(zhì)之后，該團隊在深海碳循環(huán)和生命起源領(lǐng)域的又一項重要突破，揭示了自然界非生物有機合成的關(guān)鍵路徑。南景博博士（現(xiàn)為中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所副研究員）為文章第一作者，彭曉彤研究員為通訊作者。

圖1 “深海勇士”號載人潛水器

解析大洋巖石圈中非生物成因有機質(zhì)的形成過程是理解地球深部碳循環(huán)、極端環(huán)境生物圈能量來源以及前生命過程和生命起源等前沿科學(xué)問題的關(guān)鍵。這些科學(xué)問題與國家“十四五”規(guī)劃中深空、深地和深海探測的科學(xué)任務(wù)緊密相關(guān)，并得到了國際科研組織的廣泛關(guān)注，如涉及55個國家的超過1200名科學(xué)家參與的深部碳觀測計劃（Deep Carbon Observatory）以及國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃（IODP）399航次等。前人針對巖石圈地幔中不同類型的非生物成因有機質(zhì)進行研究，發(fā)現(xiàn)它們常賦存在俯沖帶及洋中脊等水-巖相互作用劇烈的區(qū)域，其中特殊的含鐵催化性礦物對這些有機質(zhì)的形成至關(guān)重要。然而，對于這些礦物表面有機合成途徑的機理研究仍相對較少。如果想準(zhǔn)確識別巖石中的非生物有機質(zhì)，并為尋找地外生命痕跡提供依據(jù)，深入的分子層面的非生物有機合成機理研究尤為重要。

為此，南景博等人通過研究“深海勇士”號載人潛水器（圖1）獲取的玄武巖樣品（TS-10航次），首次報道了在西南印度洋脊淺部洋殼中微米尺度賦存的非生物成因有機質(zhì)，并發(fā)現(xiàn)這些有機質(zhì)與針鐵礦等水巖反應(yīng)的產(chǎn)物具有密切的空間相關(guān)性（圖2）。

圖2 西南印度洋脊洋殼中微米級的非生物成因有機質(zhì)及周圍針鐵礦的掃描電子顯微鏡照片

利用多模態(tài)微區(qū)原位分析技術(shù)，包括電子顯微鏡、飛行時間二次離子質(zhì)譜儀以及光誘導(dǎo)力-納米紅外光譜儀等，綜合確認了有機質(zhì)中特征生物分子官能團的缺失（圖3），從而揭示了其非生物成因。

圖3多模態(tài)微區(qū)原位分析技術(shù)顯示了有機質(zhì)（CCM）中特征生物分子官能團的缺失

在此基礎(chǔ)上結(jié)合密度泛函理論計算，提出了針鐵礦在分子尺度對于非生物有機質(zhì)催化合成的重要性（圖4）。其中，熱液流體中的氫氣在針鐵礦表面的催化循環(huán)，對二氧化碳的初始活化和有機質(zhì)聚合過程中的碳鏈（C-C）生長起到了關(guān)鍵作用。這一研究開創(chuàng)性地將基于高精度微區(qū)分析的密度泛函理論計算應(yīng)用到天然非生物有機合成過程，深入理解了洋中脊這一關(guān)鍵自然實驗室中非生物有機質(zhì)的形成機理。該項研究工作不僅為礦物參與自然有機催化反應(yīng)奠定了基礎(chǔ)，也為在其他天體熱液系統(tǒng)中識別生命痕跡提供了重要參考。

圖4 密度泛函理論計算揭示針鐵礦 （001）表面上的CO₂加氫反應(yīng)和C-C增長的反應(yīng)路徑

論文鏈接：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2308684121?