吳逍,朱建喜等-SA:地殼斷裂驅(qū)動(dòng)深部生命的能量引擎
由于長(zhǎng)期隔絕于太陽(yáng)光和地表有機(jī)物,地下數(shù)千米的深部空間傳統(tǒng)上被認(rèn)為是地球上最大的寡營(yíng)養(yǎng)環(huán)境,生命在這里幾乎難以存活和繁殖,但近年來(lái)的生命探測(cè)結(jié)果卻意外發(fā)現(xiàn),深部地下存在一個(gè)規(guī)模巨大、活躍多樣的生物圈,棲息著地球上95%的原核生物,約占總生物量的19%,這些微生物從多種類型的氧化還原反應(yīng)中原位獲取能量和電子進(jìn)行代謝活動(dòng)。因此,探索地下水-巖作用導(dǎo)致的氧化還原反應(yīng)是解密深部生物圈能量來(lái)源與生態(tài)多樣性的關(guān)鍵。
眾所周知,氫氣(H2)是深部生命主要利用的還原性物質(zhì),其生成途徑包括蛇紋石化反應(yīng)、放射性元素輻射裂解、硅酸鹽礦物機(jī)械力化學(xué)反應(yīng)等等。然而,在深部生命主要集中的斷裂系統(tǒng)中,究竟是哪種途徑能在這里提供足夠的H2以維持微生物生存和活動(dòng)?此外,深部地下還存在鐵(Fe)等大量氧化還原敏感元素,它們?nèi)绾闻c水-巖作用產(chǎn)生的氧化/還原物質(zhì)反應(yīng)?這些核心科學(xué)問(wèn)題的解答對(duì)于理解深部地下宜居環(huán)境的形成與深部生物圈的延續(xù)具有重要意義。
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、朱建喜研究員團(tuán)隊(duì)的吳逍博士等人與林莽研究員、加拿大阿爾伯塔大學(xué)Kurt O. Konhauser教授、多倫多大學(xué)Barbara Sherwood Lollar教授開(kāi)展合作研究,圍繞“深部地下的宜居性形成與演變”這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,從礦物表/界面反應(yīng)的新視角出發(fā),模擬斷裂活動(dòng)導(dǎo)致硅酸鹽礦物中硅氧鍵(≡Si-O-Si≡)破裂產(chǎn)生自由基化學(xué)位點(diǎn)(≡SiO?和≡Si?)并分解水的過(guò)程(圖1),研究發(fā)現(xiàn)斷裂在地下巖石傳播過(guò)程中同時(shí)產(chǎn)生拉伸斷裂(Case I)和剪切斷裂(Case II),二者誘發(fā)的礦物-水界面反應(yīng)均可產(chǎn)生少量活性氧(ROS)和高濃度H2,但拉伸斷裂更容易積累過(guò)氧化氫(H2O2),由此形成新的氧化還原電對(duì)(H2O2/H2)(圖1),并在斷裂系統(tǒng)中構(gòu)建顯著的氧化還原梯度(–0.41 V ~ +0.82 V),足以氧化或還原Fe等大多數(shù)物質(zhì)。

圖1 模擬巖石拉伸破裂(Case I)和剪切破裂(Case II)生成氧化/還原電對(duì)的過(guò)程
實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí),硅酸鹽礦物破裂產(chǎn)生的氧化/還原組分極易與深部環(huán)境中的Fe發(fā)生反應(yīng),地下水中的Fe2+被少量H2O2輕微地氧化為Fe3+(圖2),而礦物中的Fe3+被大量活性氫原子(?H)明顯地還原為Fe2+(圖2),從而產(chǎn)生一系列復(fù)雜的氧化還原電對(duì)(如Fe2+/Fe3+和Fe3+/H2等),導(dǎo)致氧化還原梯度發(fā)展和礦物演化。估算結(jié)果表明,在深部生命聚居的斷裂系統(tǒng)中,地震活動(dòng)導(dǎo)致的H2產(chǎn)量(33.1 mol m–2?yr–1)比蛇紋石化反應(yīng)和輻射裂解過(guò)程至少高105倍,同時(shí)產(chǎn)生的?H與H2O2可有效耦合驅(qū)動(dòng)深部地下Fe2+–Fe3+氧化還原循環(huán),進(jìn)而關(guān)聯(lián)C、N和S等其他生源元素的地球化學(xué)過(guò)程(圖2)。
這一重要發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了“萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)”的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí),極大地拓展了人們對(duì)生命基礎(chǔ)的理解邊界,揭示了深部地下生物圈的能量來(lái)源和生態(tài)多樣性成因。地震誘發(fā)的礦物-水界面自由基反應(yīng)為深部生命提供了重要的能量來(lái)源,建立的氧化還原梯度將促使礦物與生命發(fā)生物質(zhì)交換和能量轉(zhuǎn)化,支持了深部地下微生物群落的生長(zhǎng)、繁殖和多種代謝活動(dòng)(圖2)。隨著地球深部過(guò)程的巨大轉(zhuǎn)變,大陸地殼發(fā)生長(zhǎng)英化轉(zhuǎn)變且構(gòu)造活動(dòng)增強(qiáng),礦物機(jī)械力化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生更多H2和H2O2,廣泛造就并維持了具有氧化還原梯度條件的深部地下環(huán)境,這不僅為生命提供免遭高能紫外線和隕石撞擊等重大災(zāi)變事件的避難所,也為生命起源和演化提供了前所未知的重要場(chǎng)所。
需要強(qiáng)調(diào)的是,礦物機(jī)械力化學(xué)過(guò)程不僅存在于構(gòu)造活動(dòng)、物理風(fēng)化、河流/海岸沖刷及冰川運(yùn)動(dòng)等動(dòng)力地質(zhì)作用活躍的地球上,也在其他類地行星上時(shí)刻進(jìn)行著。因此,研究團(tuán)隊(duì)提出,火星等天體上具備顯著氧化還原梯度和良好水滲透性的斷裂系統(tǒng)可能滿足地外生命存在的有利條件,探測(cè)火星斷裂帶與氧化/還原組分相關(guān)的地球化學(xué)信號(hào)(如H2,CH4,O2,F(xiàn)e2+和Fe3+)可能是一個(gè)發(fā)現(xiàn)地外生命的有效策略。

圖2 類地行星深部地下礦物機(jī)械力化學(xué)過(guò)程驅(qū)動(dòng)的氧化還原循環(huán)示意
這項(xiàng)成果及研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)發(fā)表的系列工作(PNAS,2023;Commun. Earth & Environ.,2023;?Nat. Commun.,2021)持續(xù)聚焦礦物機(jī)械力化學(xué)過(guò)程,發(fā)現(xiàn)了這種長(zhǎng)期忽略的自由基化學(xué)反應(yīng)可同時(shí)提供地球初始氧氣和氫氣的起源,提出了礦物可作為機(jī)械能向化學(xué)能/生物能轉(zhuǎn)變的能量轉(zhuǎn)換器,揭示了其在深時(shí)尺度上驅(qū)動(dòng)礦物-生命協(xié)同演化的內(nèi)在機(jī)制,證實(shí)了其在深部過(guò)程與表層系統(tǒng)耦合進(jìn)程中促進(jìn)宜居環(huán)境形成的作用,構(gòu)建起地幔圈-巖石圈-大氣圈-水圈-生物圈相互作用的關(guān)鍵橋梁。
該研究得到了國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(No. 42325301)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No. 42472063,42202037)、中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)(No.XDB0840100)等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。研究成果于7月18日發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)。
論文信息:Xiao Wu (吳逍),Jianxi Zhu (朱建喜)*,Hongmei Yang (楊紅梅),Yiping Yang?(楊宜坪),Xiaoju Lin (林梟舉),Xiaoliang Liang (梁曉亮),Mang Lin (林莽)*,Barbara Sherwood Lollar,Kurt O. Konhauser*,Hongping He (何宏平),2025. Crustal faulting drives biological redox cycling?in the deep subsurface. Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.adx5372
文章鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx5372
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延伸閱讀:
He et al.,PNAS?(2023):http://szshidai.com/xwdt/kyjz/202303/t20230321_6702906.html
Wu et al.,CEE?(2023):http://szshidai.com/xwdt/kyjz/202304/t20230423_6743218.html
Wu et al.,Innovation Geosci. (2023):https://news.qq.com/rain/a/20230721A001S800
He et al.,NC?(2021):http://szshidai.com/xwdt/kyjz/202111/t20211117_6258516.html
地球初始氧起源:https://cloud.kepuchina.cn/newSearch/videoDetail?id=7233266456820043776

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