研究揭示洋殼中非生物成因有機質的形成機理

近日，中國科學院深海科學與工程研究所研究員彭曉彤團隊與荷蘭烏得勒支大學、北京高壓科學研究中心等合作，研究揭示了西南印度洋脊巖石圈地殼中的非生物成因有機質，并闡述了有機質在分子層面的形成機制。相關成果以封面論文的形式發表于《美國科學院院報》（PNAS）。

當期期刊封面。研究團隊供圖

論文第一作者、中國科學院深海科學與工程研究所原博士生（現為中國科學院南京地質古生物研究所副研究員）南景博表示，解析大洋巖石圈中非生物成因有機質的形成過程是理解地球深部碳循環、極端環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問題的關鍵。這些科學問題與國家“十四五”規劃中深空、深地和深海探測的科學任務緊密相關，并得到了國際科研組織的廣泛關注。

前人針對巖石圈地幔中不同類型的非生物成因有機質進行研究，發現它們常賦存在俯沖帶及洋中脊等水-巖相互作用劇烈的區域，其中特殊的含鐵催化性礦物對這些有機質的形成至關重要。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。如果想準確識別巖石中的非生物有機質，并為尋找地外生命痕跡提供依據，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，并發現這些有機質與針鐵礦等水巖反應的產物具有密切的空間相關性。他們利用多模態微區原位分析技術，包括電子顯微鏡、飛行時間二次離子質譜儀以及光誘導力-納米紅外光譜儀等，綜合確認了有機質中特征生物分子官能團的缺失，從而揭示了其非生物成因。

在此基礎上，研究人員結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，對二氧化碳的初始活化和有機質聚合過程中的碳鏈生長起到了關鍵作用。這一研究開創性地將基于高精度微區分析的密度泛函理論計算應用到天然非生物有機合成過程，深入理解了洋中脊這一關鍵自然實驗室中非生物有機質的形成機理。

“該工作不僅為礦物參與自然界有機催化反應提供了新的機制和案例，也為在其他天體熱液系統中識別生命痕跡提供了重要參考。”論文通訊作者彭曉彤表示，這也是繼2021年在雅浦海溝發現地幔巖石中納米級非生物成因有機質之后，團隊在深海碳循環和生命起源領域的又一項重要突破，揭示了自然界非生物有機合成的關鍵路徑。

相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.230868412