万物生长不只靠太阳？科学家发现神秘“能量引擎”

访客 2025-07-21 16:11:05 24979

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摘要： 由于长期隔绝于太阳光和地表有机物，地下数千米的深部空间传统上被认为是地球上最大的寡营养环境，生命在这里几乎难以存活和繁殖...

由于长期隔绝于太阳光和地表有机物，地下数千米的深部空间传统上被认为是地球上最大的寡营养环境，生命在这里几乎难以存活和繁殖，但近年来的生命探测结果却意外发现，深部地下存在一个规模巨大、活跃多样的生物圈，栖息着地球上95%的原核生物，约占总生物量的19%，这些微生物从多种类型的氧化还原反应中原位获取能量和电子进行代谢活动。因此，探索地下水-岩作用导致的氧化还原反应是解密深部生物圈能量来源与生态多样性的关键。

众所周知，氢气是深部生命主要利用的还原性物质，其生成途径包括蛇纹石化反应、放射性元素辐射裂解、硅酸盐矿物机械力化学反应等等。然而，深部生命主要集中在断裂系统中，究竟是哪种途径能在这里提供足够的氢气以维持微生物生存和活动？此外，深部地下还存在铁等大量氧化还原敏感元素，它们如何与水-岩作用产生的氧化/还原物质反应？这些核心科学问题的解答对于理解深部地下宜居环境的形成与深部生物圈的延续具有重要意义。

近日，中国科学院广州地球化学研究所何宏平研究员、朱建喜研究员团队的吴逍博士等人与林莽研究员、加拿大阿尔伯塔大学Kurt O. Konhauser教授、多伦多大学Barbara Sherwood Lollar教授开展合作研究，围绕“深部地下的宜居性形成与演变”这一关键科学问题，从矿物表/界面反应的新视角出发，模拟断裂活动导致硅酸盐矿物中硅氧键（≡Si-O-Si≡）破裂产生自由基化学位点（≡SiO•和≡Si•）并分解水的过程（图1），研究发现断裂在地下岩石传播过程中同时产生拉伸断裂（Case I）和剪切断裂（Case II），二者诱发的矿物-水界面反应均可产生少量活性氧（ROS）和高浓度氢气，但拉伸断裂更容易积累过氧化氢，由此形成新的氧化还原电对（图1），并在断裂系统中构建显著的氧化还原梯度（–0.41V~ +0.82V），足以氧化或还原Fe等大多数物质。

图1 模拟岩石拉伸破裂(Case I)和剪切破裂(Case II)生成氧化/还原电对的过程

实验进一步证实，硅酸盐矿物破裂产生的氧化/还原组分极易与深部环境中的铁发生反应，地下水中的二价铁被少量过氧化氢轻微地氧化为三价铁（图2），而矿物中的三价铁被大量活性氢原子（•H）明显地还原为二价铁（图2），

这一重要发现挑战了“万物生长靠太阳”的传统认识，极大地拓展了人们对生命基础的理解边界，揭示了深部地下生物圈的能量来源和生态多样性成因。地震诱发的矿物-水界面自由基反应为深部生命提供了重要的能量来源，建立的氧化还原梯度将促使矿物与生命发生物质交换和能量转化，支持了深部地下微生物群落的生长、繁殖和多种代谢活动（图2）。随着地球深部过程的巨大转变，大陆地壳发生长英化转变且构造活动增强，矿物机械力化学过程产生更多氢和过氧化氢，广泛造就并维持了具有氧化还原梯度条件的深部地下环境，这不仅为生命提供免遭高能紫外线和陨石撞击等重大灾变事件的避难所，也为生命起源和演化提供了前所未知的重要场所。

需要强调的是，矿物机械力化学过程不仅存在于构造活动、物理风化、河流/海岸冲刷及冰川运动等动力地质作用活跃的地球上，也在其他类地行星上时刻进行着。因此，研究团队提出，火星等天体上具备显著氧化还原梯度和良好水渗透性的断裂系统可能满足地外生命存在的有利条件，探测火星断裂带与氧化/还原组分相关的地球化学信号（如氢气，甲烷，氧气，二价铁和三价铁）可能是一个发现地外生命的有效策略。

图2 类地行星深部地下矿物机械力化学过程驱动的氧化还原循环示意图

这项成果及研究团队近年来发表的系列工作（PNAS, 2023；Commun. Earth & Environ., 2023; Nat. Commun., 2021）持续聚焦矿物机械力化学过程，发现了这种长期忽略的自由基化学反应可同时提供地球初始氧气和氢气的起源，提出了矿物可作为机械能向化学能/生物能转变的能量转换器，揭示了其在深时尺度上驱动矿物-生命协同演化的内在机制，证实了其在深部过程与表层系统耦合进程中促进宜居环境形成的作用，构建起地幔圈-岩石圈-大气圈-水圈-生物圈相互作用的关键桥梁。

该研究得到了国家杰出青年科学基金项目（No. 42325301）、国家自然科学基金项目（No. 42472063, 42202037）、中国科学院先导专项（No. XDB0840100）等项目的联合资助。研究成果于7月18日发表于《科学进展》（Science Advances）。

论文信息： Xiao Wu (吴逍)，Jianxi Zhu (朱建喜)*，Hongmei Yang (杨红梅)，Yiping Yang (杨宜坪)，Xiaoju Lin (林枭举)，Xiaoliang Liang (梁晓亮)，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:

原文题：《地震点燃深地生命的能量引擎》

来源：广州地球化学研究所