由于長期隔絕于太陽光和地表有機物，地下數(shù)千米的深部空間傳統(tǒng)上被認為是地球上最大的寡營養(yǎng)環(huán)境，生命在這里幾乎難以存活和繁殖，但近年來的生命探測結(jié)果卻意外發(fā)現(xiàn)，深部地下存在一個規(guī)模巨大、活躍多樣的生物圈，棲息著地球上95%的原核生物，約占總生物量的19%，這些微生物從多種類型的氧化還原反應(yīng)中原位獲取能量和電子進行代謝活動。因此，探索地下水-巖作用導(dǎo)致的氧化還原反應(yīng)是解密深部生物圈能量來源與生態(tài)多樣性的關(guān)鍵。
眾所周知，氫氣（H2）是深部生命主要利用的還原性物質(zhì)，其生成途徑包括蛇紋石化反應(yīng)、放射性元素輻射裂解、硅酸鹽礦物機械力化學(xué)反應(yīng)等等。然而，在深部生命主要集中的斷裂系統(tǒng)中，究竟是哪種途徑能在這里提供足夠的H2以維持微生物生存和活動？此外，深部地下還存在鐵（Fe）等大量氧化還原敏感元素，它們?nèi)绾闻c水-巖作用產(chǎn)生的氧化/還原物質(zhì)反應(yīng)？這些核心科學(xué)問題的解答對于理解深部地下宜居環(huán)境的形成與深部生物圈的延續(xù)具有重要意義。
近日，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所何宏平研究員、朱建喜研究員團隊的吳逍博士等人與林莽研究員、加拿大阿爾伯塔大學(xué)Kurt O. Konhauser教授、多倫多大學(xué)Barbara Sherwood Lollar教授開展合作研究，圍繞“深部地下的宜居性形成與演變”這一關(guān)鍵科學(xué)問題，從礦物表/界面反應(yīng)的新視角出發(fā)，模擬斷裂活動導(dǎo)致硅酸鹽礦物中硅氧鍵（≡Si-O-Si≡）破裂產(chǎn)生自由基化學(xué)位點（≡SiO?和≡Si?）并分解水的過程（圖1），研究發(fā)現(xiàn)斷裂在地下巖石傳播過程中同時產(chǎn)生拉伸斷裂（Case I）和剪切斷裂（Case II），二者誘發(fā)的礦物-水界面反應(yīng)均可產(chǎn)生少量活性氧（ROS）和高濃度H2，但拉伸斷裂更容易積累過氧化氫(H2O2)，由此形成新的氧化還原電對（H2O2/H2）（圖1），并在斷裂系統(tǒng)中構(gòu)建顯著的氧化還原梯度（–0.41 V ~ +0.82 V），足以氧化或還原Fe等大多數(shù)物質(zhì)。
圖1 模擬巖石拉伸破裂(Case I)和剪切破裂(Case II)生成氧化/還原電對的過程
實驗進一步證實，硅酸鹽礦物破裂產(chǎn)生的氧化/還原組分極易與深部環(huán)境中的Fe發(fā)生反應(yīng)，地下水中的Fe2+被少量H2O2輕微地氧化為Fe3+（圖2），而礦物中的Fe3+被大量活性氫原子（?H）明顯地還原為Fe2+（圖2），從而產(chǎn)生一系列復(fù)雜的氧化還原電對（如Fe2+/Fe3+和Fe3+/H2等），導(dǎo)致氧化還原梯度發(fā)展和礦物演化。估算結(jié)果表明，在深部生命聚居的斷裂系統(tǒng)中，地震活動導(dǎo)致的H2產(chǎn)量（33.1 mol m–2?yr–1）比蛇紋石化反應(yīng)和輻射裂解過程至少高105倍，同時產(chǎn)生的?H與H2O2可有效耦合驅(qū)動深部地下Fe2+–Fe3+氧化還原循環(huán)，進而關(guān)聯(lián)C、N和S等其他生源元素的地球化學(xué)過程（圖2）。
這一重要發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了“萬物生長靠太陽”的傳統(tǒng)認識，極大地拓展了人們對生命基礎(chǔ)的理解邊界，揭示了深部地下生物圈的能量來源和生態(tài)多樣性成因。地震誘發(fā)的礦物-水界面自由基反應(yīng)為深部生命提供了重要的能量來源，建立的氧化還原梯度將促使礦物與生命發(fā)生物質(zhì)交換和能量轉(zhuǎn)化，支持了深部地下微生物群落的生長、繁殖和多種代謝活動（圖2）。隨著地球深部過程的巨大轉(zhuǎn)變，大陸地殼發(fā)生長英化轉(zhuǎn)變且構(gòu)造活動增強，礦物機械力化學(xué)過程產(chǎn)生更多H2和H2O2，廣泛造就并維持了具有氧化還原梯度條件的深部地下環(huán)境，這不僅為生命提供免遭高能紫外線和隕石撞擊等重大災(zāi)變事件的避難所，也為生命起源和演化提供了前所未知的重要場所。
需要強調(diào)的是，礦物機械力化學(xué)過程不僅存在于構(gòu)造活動、物理風(fēng)化、河流/海岸沖刷及冰川運動等動力地質(zhì)作用活躍的地球上，也在其他類地行星上時刻進行著。因此，研究團隊提出，火星等天體上具備顯著氧化還原梯度和良好水滲透性的斷裂系統(tǒng)可能滿足地外生命存在的有利條件，探測火星斷裂帶與氧化/還原組分相關(guān)的地球化學(xué)信號（如H2，CH4，O2，F(xiàn)e2+和Fe3+）可能是一個發(fā)現(xiàn)地外生命的有效策略。
圖2 類地行星深部地下礦物機械力化學(xué)過程驅(qū)動的氧化還原循環(huán)示意
這項成果及研究團隊近年來發(fā)表的系列工作（PNAS,2023；Commun. Earth & Environ.,2023;?Nat. Commun.,2021）持續(xù)聚焦礦物機械力化學(xué)過程，發(fā)現(xiàn)了這種長期忽略的自由基化學(xué)反應(yīng)可同時提供地球初始氧氣和氫氣的起源，提出了礦物可作為機械能向化學(xué)能/生物能轉(zhuǎn)變的能量轉(zhuǎn)換器，揭示了其在深時尺度上驅(qū)動礦物-生命協(xié)同演化的內(nèi)在機制，證實了其在深部過程與表層系統(tǒng)耦合進程中促進宜居環(huán)境形成的作用，構(gòu)建起地幔圈-巖石圈-大氣圈-水圈-生物圈相互作用的關(guān)鍵橋梁。
該研究得到了國家杰出青年科學(xué)基金項目、國家自然科學(xué)基金項目、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項等項目的聯(lián)合資助。研究成果于7月18日發(fā)表于《科學(xué)進展》（Science Advances）。
論文信息：?Xiao Wu (吳逍)，Jianxi Zhu (朱建喜)*，Hongmei Yang (楊紅梅)，Yiping Yang?(楊宜坪)，Xiaoju Lin (林梟舉)，Xiaoliang Liang (梁曉亮)，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: 10.1126/sciadv.adx5372
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx5372
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延伸閱讀：
He et al.,PNAS?(2023):https://gig.cas.cn/xwdt/kyjz/202303/t20230321_6702906.html
Wu et al.,CEE?(2023):https://gig.cas.cn/xwdt/kyjz/202304/t20230423_6743218.html
Wu et al.,Innovation Geosci. (2023):https://news.qq.com/rain/a/20230721A001S800
He et al.,NC?(2021):https://gig.cas.cn/xwdt/kyjz/202111/t20211117_6258516.html
地球初始氧起源:https://cloud.kepuchina.cn/newSearch/videoDetail?id=7233266456820043776
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