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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(rèn)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(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。在此基礎(chǔ)上，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)了生命從簡單有機(jī)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(tuán)隊(duì)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(bào)》（PNAS）雜志以封面論文形式發(fā)表最新研究成果，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)，并闡述了有機(jī)質(zhì)在分子層面的形成機(jī)制。這是繼2021年在雅溥海溝發(fā)現(xiàn)地幔巖石中納米級(jí)非生物成因有機(jī)質(zhì)之后，該團(tuán)隊(duì)在深海碳循環(huán)和生命起源領(lǐng)域的又一項(xiàng)重要突破，揭示了自然界非生物有機(jī)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(hào)載人潛水器

解析大洋巖石圈中非生物成因有機(jī)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(gè)國家的超過1200名科學(xué)家參與的深部碳觀測計(jì)劃（Deep Carbon Observatory）以及國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃（IODP）399航次等。前人針對(duì)巖石圈地幔中不同類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)理研究仍相對(duì)較少。如果想準(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，南景博等人通過研究“深海勇士”號(hào)載人潛水器（圖1）獲取的玄武巖樣品（TS-10航次），首次報(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)，并發(fā)現(xiàn)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（圖2）。

圖2 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(shí)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(rèn)了有機(jī)質(zhì)中特征生物分子官能團(tuán)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(jī)質(zhì)（CCM）中特征生物分子官能團(tuán)的缺失

在此基礎(chǔ)上結(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（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(duì)二氧化碳的初始活化和有機(jī)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(jì)算應(yīng)用到天然非生物有機(jī)合成過程，深入理解了洋中脊這一關(guān)鍵自然實(shí)驗(yàn)室中非生物有機(jī)質(zhì)的形成機(jī)理。該項(xiàng)研究工作不僅為礦物參與自然有機(jī)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(shí)別生命痕跡提供了重要參考。

圖4 密度泛函理論計(jì)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?