生命起源是最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題之一。深海熱液系統(tǒng)被認(rèn)為是生命起源的潛在場(chǎng)所，是探索地外生命的重要關(guān)注點(diǎn)，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(dòng)了非酶催化條件下有機(jī)小分子的形成。礦物催化的有機(jī)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(dòng)了生命從簡(jiǎn)單有機(jī)分子到復(fù)雜功能結(jié)構(gòu)的演變，導(dǎo)致早期生命形式出現(xiàn)。

近日，中國(guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所副研究員南景博、深海科學(xué)與工程研究所研究員彭曉彤，聯(lián)合北京高壓科學(xué)研究中心、荷蘭烏得勒支大學(xué)等國(guó)內(nèi)外單位的科研人員，報(bào)道了西南印度洋脊巖石圈地殼中的非生物成因有機(jī)質(zhì)，闡述了有機(jī)質(zhì)在分子層面的形成機(jī)制，揭示了自然界非生物有機(jī)合成的關(guān)鍵路徑。相關(guān)研究成果以封面論文形式發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

解析大洋巖石圈中非生物成因有機(jī)質(zhì)的形成過(guò)程，是探討地球深部碳循環(huán)、極端環(huán)境生物圈能量來(lái)源以及前生命過(guò)程和生命起源等前沿科學(xué)問(wèn)題的關(guān)鍵。

前人針對(duì)巖石圈地幔中不同類(lèi)型的非生物成因有機(jī)質(zhì)進(jìn)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(duì)這些有機(jī)質(zhì)的形成至關(guān)重要。然而，對(duì)于這些礦物表面有機(jī)合成途徑的機(jī)理研究相對(duì)較少。若要準(zhǔn)確識(shí)別巖石中的非生物有機(jī)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(jī)合成機(jī)理研究尤為重要。

為此，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究“深海勇士”號(hào)載人潛水器獲取的玄武巖樣品，報(bào)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(jī)質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了這些有機(jī)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。

科研人員利用多模態(tài)微區(qū)原位分析技術(shù)，如電子顯微鏡、飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀及光誘導(dǎo)力-納米紅外光譜儀等，綜合確認(rèn)了有機(jī)質(zhì)中特征生物分子官能團(tuán)缺失，并揭示了其非生物成因。

以此為基礎(chǔ)，該團(tuán)隊(duì)結(jié)合密度泛函理論計(jì)算，提出了針鐵礦在分子尺度對(duì)于非生物有機(jī)質(zhì)催化合成的重要性。其中，熱液流體中的氫氣在針鐵礦表面的催化循環(huán)，對(duì)二氧化碳的初始活化和有機(jī)質(zhì)聚合過(guò)程中的碳鏈生長(zhǎng)起到關(guān)鍵作用。

這一研究開(kāi)創(chuàng)性地將基于高精度微區(qū)分析的密度泛函理論計(jì)算應(yīng)用于天然非生物有機(jī)合成過(guò)程，剖析了洋中脊這一關(guān)鍵自然實(shí)驗(yàn)室中非生物有機(jī)質(zhì)的形成機(jī)理。該研究為探討礦物參與自然有機(jī)催化反應(yīng)奠定了基礎(chǔ)，并為在其他天體熱液系統(tǒng)識(shí)別生命痕跡提供了參考。

研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、歐洲研究理事會(huì)啟動(dòng)基金和荷蘭研究理事會(huì)基金的支持。

論文鏈接

“深海勇士” 號(hào)載人潛水器

西南印度洋脊洋殼中微米級(jí)的非生物成因有機(jī)質(zhì)及周?chē)樿F礦的掃描電子顯微鏡照片