研究揭示洋壳中非生物成因有机质的形成机理

近日，中国科学院深海科学与工程研究所研究员彭晓彤团队与荷兰乌得勒支大学、北京高压科学研究中心等合作，研究揭示了西南印度洋脊岩石圈地壳中的非生物成因有机质，并阐述了有机质在分子层面的形成机制。相关成果以封面论文的形式发表于《美国科学院院报》（PNAS）。

当期期刊封面。研究团队供图

论文第一作者、中国科学院深海科学与工程研究所原博士生（现为中国科学院南京地质古生物研究所副研究员）南景博表示，解析大洋岩石圈中非生物成因有机质的形成过程是理解地球深部碳循环、极端环境生物圈能量来源以及前生命过程和生命起源等前沿科学问题的关键。这些科学问题与国家“十四五”规划中深空、深地和深海探测的科学任务紧密相关，并得到了国际科研组织的广泛关注。

前人针对岩石圈地幔中不同类型的非生物成因有机质进行研究，发现它们常赋存在俯冲带及洋中脊等水-岩相互作用剧烈的区域，其中特殊的含铁催化性矿物对这些有机质的形成至关重要。然而，对于这些矿物表面有机合成途径的机理研究仍相对较少。如果想准确识别岩石中的非生物有机质，并为寻找地外生命痕迹提供依据，深入的分子层面的非生物有机合成机理研究尤为重要。

为此，南景博等人通过研究“深海勇士”号载人潜水器获取的玄武岩样品（TS-10航次），首次报道了在西南印度洋脊浅部洋壳中微米尺度赋存的非生物成因有机质，并发现这些有机质与针铁矿等水岩反应的产物具有密切的空间相关性。他们利用多模态微区原位分析技术，包括电子显微镜、飞行时间二次离子质谱仪以及光诱导力-纳米红外光谱仪等，综合确认了有机质中特征生物分子官能团的缺失，从而揭示了其非生物成因。

在此基础上，研究人员结合密度泛函理论计算，提出了针铁矿在分子尺度对于非生物有机质催化合成的重要性。其中，热液流体中的氢气在针铁矿表面的催化循环，对二氧化碳的初始活化和有机质聚合过程中的碳链生长起到了关键作用。这一研究开创性地将基于高精度微区分析的密度泛函理论计算应用到天然非生物有机合成过程，深入理解了洋中脊这一关键自然实验室中非生物有机质的形成机理。

“该工作不仅为矿物参与自然界有机催化反应提供了新的机制和案例，也为在其他天体热液系统中识别生命痕迹提供了重要参考。”论文通讯作者彭晓彤表示，这也是继2021年在雅浦海沟发现地幔岩石中纳米级非生物成因有机质之后，团队在深海碳循环和生命起源领域的又一项重要突破，揭示了自然界非生物有机合成的关键路径。

相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.230868412