生命起源是生物學界探索的終極問題之一。生命誕生于深海熱液，抑或是陸地熱泉？這是探索地球上生命起源環(huán)境的兩大主要假說。近日，中外科學家合作發(fā)現(xiàn)鐵硫化物在早期地球陸地熱泉中，通過非酶催化作用對氣態(tài)二氧化碳（CO?）還原和前生命有機分子形成的潛在作用，這一過程或為生命起源提供了關(guān)鍵的化學基礎(chǔ)。
掃描透射電子顯微鏡顯示鐵硫化物（四方硫鐵礦）催化劑特征
陸地熱泉具備生命起源可能性
11月28日，該成果發(fā)表在最新一期的《自然?通訊》（Nature Communications）雜志上，由中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所南景博副研究員，與日本國立材料科學研究所（NIMS）羅舜欽博士、澳大利亞新南威爾士大學Quoc Phuong Tran博士等多家單位的學者合作完成。
陸地熱泉生命起源假說指出，生命可能誕生于地表熱泉區(qū)域這一開放性環(huán)境。與深海環(huán)境不同，陸地熱泉能夠接觸到陽光，為光熱催化反應提供了動力來源。此外，陸地熱泉富含鐵、硫、二氧化硅等礦物質(zhì)和化學物質(zhì)，這些成分與間歇性的干濕循環(huán)相結(jié)合，可能為有機分子的合成和聚合創(chuàng)造了理想條件。尤其是干濕循環(huán)過程，不僅有助于有機分子的濃縮，還能促進更復雜分子的形成，為生命的起源提供了重要的化學基礎(chǔ)。
早期地球陸地熱泉概念圖（Alex Bosoy 繪）
地球早期熱液系統(tǒng)中富含鐵硫化物，這些鐵硫化物可能類似于現(xiàn)代代謝系統(tǒng)中的酶輔因子，參與了生命前的化學反應。前人對于鐵硫化物參與生命起源的研究多集中于海底的堿性熱液噴口，認為其溫度、壓力、pH差和蛇紋石化產(chǎn)生的高氫氣（H?）濃度可能為前生命碳固定提供了良好條件。然而，另一些科學家認為，陸地熱泉由于同樣具備豐富的礦物、化學物質(zhì)以及陽光輻射，可能提供了一種新的生命起源可能性。
為探究鐵硫化物在陸地熱泉前生命碳固定的作用，研究團隊在實驗中合成了一系列鐵硫化物（四方硫鐵礦）納米顆粒，包括純鐵硫化物和摻雜了錳、鎳、鈦和鈷等金屬的鐵硫化物樣品，這些金屬元素在熱泉環(huán)境中較為常見。通過實驗，他們發(fā)現(xiàn)這些鐵硫化物在特定溫度（80—120℃）和常壓下，可催化H?驅(qū)動的CO?還原反應，并用氣相色譜儀對生成的產(chǎn)物甲醇進行了定量測定。
模擬陸地熱泉不同條件下金屬摻雜鐵硫化物催化H?還原CO?的反應
研究顯示，摻錳的鐵硫化物在120℃的反應條件下表現(xiàn)出顯著的催化效果。特別是在紫外-可見光（300—720nm）和增強紫外光（200—600nm）照射下，摻錳的鐵硫化物催化活性進一步增強。這一結(jié)果揭示光能可能在這一反應中發(fā)揮了激發(fā)作用，促進了化學反應的進行。研究團隊還發(fā)現(xiàn)，水蒸氣的引入可進一步提升反應活性，這提示陸地熱泉蒸汽噴口可能是早期地球非酶有機合成的關(guān)鍵場所。
鐵硫化物或為前生命碳固定的關(guān)鍵
為了深入探究鐵硫化物在催化H?驅(qū)動的CO?還原反應機理，研究團隊進行了原位漫反射傅里葉變換紅外光譜（DRIFTS）分析，發(fā)現(xiàn)這一反應可能通過逆水煤氣變換反應（RWGS）途徑進行，即先將CO?還原生成一氧化碳（CO），然后進一步氫化生成甲醇。在此基礎(chǔ)上的密度泛函理論（DFT）計算顯示，錳在鐵硫化物中的摻雜不僅降低了反應的活化能，還可能提供了一個高效的電子傳遞位點，增強了反應的效率。此外，鐵硫化物的氧化還原特性使其具備與現(xiàn)代代謝酶類似的催化功能，為前生命碳固定提供了化學基礎(chǔ)。
該研究揭示了早期地球陸地熱泉中的鐵硫化物在前生命碳固定中的潛力，為探索生命起源提供了新方向，進而為未來尋找地外生命提供依據(jù)。
該研究得到了國家自然科學基金、現(xiàn)代古生物學和地層學國家重點實驗室開放基金、核資源與環(huán)境國家重點實驗室基金、澳大利亞研究理事會探索項目以及未來學者獎、日本文部科學?。∕EXT）材料納米架構(gòu)世界頂級研究中心及北海道大學光激子工程項目的支持。
現(xiàn)代快報/現(xiàn)代+記者 是鐘寅
（受訪對象供圖）
