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，中國科學院廣州地球化學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Kurt O. Konhauser教授、多倫多大學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)，模擬斷裂活動導致硅酸鹽礦物中硅氧鍵（≡Si-O-Si≡）破裂產(chǎn)生自由基化學位點（≡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)生一系列復雜的氧化還原電對（如Fe2+/Fe3+和Fe3+/H2等），導致氧化還原梯度發(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，礦物機械力化學過程不僅存在于構(gòu)造活動、物理風化、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過程，發(fā)現(xiàn)了這種長期忽略的自由基化學反應(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基金項目、國家自然科學基金項目、中國科學院先導專項等項目的聯(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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