如果我告訴你，“石頭會產氧”，你是否認為是天方夜譚？
（圖片來自網絡）
氧氣是人類與動物呼吸的必需物質。早期地球大氣中幾乎沒有氧氣，直至第一次大氧化事件（24.5億–23.3億年前）之后，大氣中才開始有氧氣的積累，此后出現了真核生物等復雜生命。在過去的40多年時間里，大氣光化學反應一直被認為是早期地球初始氧的主要來源，其核心是水解離形成過氧化氫。
但近年的研究發現，大氣光化學反應產生的過氧化氫通量極低，不足以支持產氧光合作用進化等重要過程。因此，地球初始氧的起源是解譯地球宜居性演化與生命進化的關鍵。
近日，中國科學院廣州地球化學研究所何宏平團隊圍繞“地球初始氧的起源”這一關鍵問題，在模擬早期地球大氣環境下，采用同位素示蹤技術解剖了石英－水界面反應過程，揭示了地球初始氧的礦物起源——“石頭會產氧”。
硅酸鹽礦物－水界面反應生成H2O2的兩種機制
那么，石頭又是如何產氧的呢？
2021年，何宏平研究員團隊研究發現，在機械外力作用下，礦物－水界面反應可產生過氧化氫和羥基自由基等活性氧（ROS），并提出由此產生的非生物氧化劑觸發了產氧光合作用進化。
通過實驗，研究團隊發現，過氧化氫和氧氣中的氧原子主要源自礦物表面基團（過氧自由基），只有少量的過氧化氫源自水的解離，氧原子在礦物－水－大氣三相界面上發生快速交換。在機械外力作用下，硅酸鹽礦物－水界面可以不斷釋放活性氧，而且這種作用廣泛存在于風化剝蝕、河流沖刷、構造運動等地質過程中，構成了早期地球非生物氧化劑的重要來源。
早期地球礦物起源的ROS產生過程
這一重要發現顛覆了“地球初始氧來源于水分解”的傳統認識，揭示了礦物表面提供早期地球的初始氧。該成果及團隊的近期相關工作系統闡述了礦物－水界面反應的產氧機制及其在地球宜居性演化過程中的重要作用，揭示了這種非生物氧化劑是巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈協同演化的一種內在動力。
該系列工作促進了人們對早期地球表面環境的認識從“均一的還原狀態”向“局部存在氧化環境”的轉變，并為生命起源理論和地外生命探測提供了重要啟示。礦物機械化學氧化劑導致的無機“氧綠洲”很有可能也存在于火星等其他類地行星上，產生適宜生命起源和演化的化學梯度條件，對于探索火星生命也具有重要的指導意義。
研究成果于3月20日發表于《美國國家科學院院刊》。
論文信息：Hongping He（何宏平）*，Xiao Wu（吳逍），Jianxi Zhu（朱建喜），Mang Lin（林莽），Ying Lv（呂瑛），Haiyang Xian（鮮海洋），Yiping Yang（楊宜坪），Xiaoju Lin（林梟舉），Shan Li（李珊），Yiliang Li（李一良），H. Henry Teng（滕輝），Mark H. Thiemens*, 2023. A mineral based origin of Earth's initial hydrogen peroxide and molecular oxygen. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. DOI: 10.1073/pnas.2221984120
文章鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2221984120
來源：中國科學院廣州地球化學研究所
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