近日，中國科學院南海海洋研究所張運迎研究員團隊、廣州海洋地質調查局深海鉆探團隊和加拿大阿爾伯塔大學穩定同位素地球化學團隊聯合在海底熱液系統中非生物氮還原研究方面取得突破性進展，相關研究成果以“Abiotic N₂ reduction in submarine hydrothermal systems could quickly fertilize prebiotic oceans”為題發表于國際著名期刊Nature Communications。中國科學院南海海洋研究所博士后孫李恒為第一作者，研究員孫珍（現任職于廣州海洋地質調查局）與阿爾伯塔大學教授李龍為共同通訊作者，合作者還包括阿爾伯塔大學博士李侃。

生命起源的關鍵火花被認為出現在海洋深處，由溫暖且富含礦物質的熱液噴口所催生。但科學家們長期困惑的是：在缺乏陽光的條件下，生命形成與維持所必需的“養料”，尤其是氨氣（NH?）/氨根（NH?⁺）是如何得以存在的？根據實驗室實驗，科學家們提出，地球表面NH?/NH?⁺的持續補給，主要依賴于海底熱液系統中高效的非生物氮還原作用。然而，該過程一直未能在地質記錄中直接檢測到。主要制約因素之一是淺部熱液系統中由生物作用產生的NH?⁺對深部信號的疊加改造。

深部高溫熱液脈體是捕捉非生物氮還原信號的理想載體，主要基于兩方面原因：（1）深部熱液流體受表生NH?⁺影響最小，最有可能保留非生物氮還原產生的NH?⁺信號；（2）深部熱液流體中的NH?⁺以替換K⁺和Na⁺的形式進入脈體礦物晶格，從而有效抵御后期低溫流體的改造，長期保存其同位素信息。

研究團隊基于國際大洋發現計劃（IODP）在南海鉆取的洋殼巖芯，對其中的熱液脈體開展了系統的氮含量與同位素組成分析。研究發現，這些來自深部的熱液脈體不僅含有異常豐富的NH?⁺，其氮同位素組成更是呈現出極端虧損1?N的特征，與已知的生物或海水來源截然不同。這些數據表明，深部熱液流體中存在由非生物氮還原產生的大量1?N虧損的NH?⁺，并且在熱液流體向上運移過程中逐漸被來自表層的1?N富集的NH?⁺疊加改造。

在此基礎上，研究團隊進一步利用模擬計算發現，非生物氮還原作用每年可向全球海洋輸送高達9.0–10.8 × 10¹⁰?摩爾的NH?⁺。盡管這一通量對現代海洋巨大的氮庫而言貢獻有限，但它足以在前生命地球的海洋中快速補充“氮肥”，并向大氣供應NH?。這一過程為最早的生命化學反應和生物生態系統的建立奠定物質基礎。

該研究不僅首次為海底熱液系統中非生物氮還原過程提供了堅實的地質記錄，也深化了我們對地球早期宜居環境形成和氮元素全球循環的理解。

研究得到了地質聯合基金，國家自然科學基金，西太平洋地球系統多圈層相互作用重大研究計劃、廣東省人才團隊項目，國家重點研發計劃和加拿大自然科學與工程研究委員會探索基金的聯合資助。

論文信息：Sun,L.H.,Li,K.,Sun,Z*.,Zhang,Y.Y.,Li,L*.,2025 Abiotic N₂ reduction in submarine hydrothermal systems could quickly fertilize prebiotic oceans. Nature Communications 16,10608.

文章鏈接： https://doi.org/10.1038/s41467-025-65711-1

圖1?U1502B鉆孔位置、巖性剖面、蝕變玄武巖和熱液脈體N濃度、N/K和N/Na摩爾比值、δ¹⁵N值。

圖2?氮同位素模擬

圖3?洋中脊熱液系統中深部流體非生物氮還原、海水與深部流體混合以及洋殼蝕變示意圖