科学新知｜新的研究进一步揭示了地球的生命或起源于“热泉”
探索地球上生命起源环境的两个主要理论是深海热液生命起源假说和陆地热泉生命起源假说。陆地热泉生命起源假设指出，生命可能起源于地表热泉区这个开放的环境。不像海底环境，陆地热泉能接触到阳光，为光热催化反应提供动力。此外，陆地热泉富含铁、硫、二氧化硅等矿物质和化合物。这些成分与间歇性干湿循环相结合，可能为有机分子的合成和聚集创造了理想的条件。尤其是干湿循环过程，不仅有助于有机分子的浓缩，还能促进更复杂分子的形成，为生命的起源提供重要的化学基础。
近日，中国科学院南京地质古生物研究所南景博副研究员与日本国家材料科学研究所（NIMS）澳大利亚新南威尔士大学的罗舜钦博士 Phuong Tran博士等多家单位的学者合作发现，在早期地球陆地热泉中，铁硫酸盐通过非酶催化作用对气态二氧化碳（CO₂）恢复和前生命有机分子的潜在作用，这个过程或者为生命起源提供了一个关键的化学基础。这项研究为了了解地球早期的生命起源提供了一个新的方向，并指出了陆地热泉生命起源假设中铁硫酸盐的重要性。这项研究为了了解地球早期的生命起源提供了一个新的方向，并指出了陆地热泉生命起源假设中铁硫酸盐的重要性。结果发表在最新一期的《自然通信》中（Nature Communications）杂志。
在生命之前，地球初期热液系统中含有丰富的铁硫酸盐，这些铁硫酸盐可能与现代代谢系统中的酶辅因子相似。前人对铁硫酸盐参与生命起源的研究大多集中在海底的碱性热液喷嘴上，认为其温度、压力、pH差和蛇纹石化产生的高氢气（H₂）浓度可能为前生命碳的固定提供了良好的条件。然而，一些科学家认为，陆地热泉可能提供了新的生命起源概率，因为它们也富含矿物、化合物和阳光辐射(图1)。
图1 早期地球陆地热泉概念图图（Alex Bosoy 绘制）
为了探索铁硫酸盐在陆地热泉前生命碳的固定作用，研究小组在实验中合成了一系列铁硫酸盐(四方硫铁矿)纳米颗粒(图2)，其中含有纯铁硫酸盐和金属硫酸盐样品，如锰、镍、钛和钴，在热泉环境中更为常见。通过实验，他们发现这些铁硫酸盐在特定温度(80)–120°C）在常压下可以催化H₂驱动的CO₂用气相色谱仪对产生的产物甲醇进行氧化反应定量测量(图3)。
图2 扫描透射电子显微镜显示铁硫酸盐(四方硫铁矿)催化剂特性
图3 模拟不同环境下的陆地热泉金属夹杂铁硫酸盐催化HH₂复原CO₂反应
结果表明，120%的铁硫酸盐掺锰。°在反应条件下，C显示出显著的催化作用。尤其是紫外线-可见光(300–增强紫外光(2000nm)和–在600nm的照射下，掺锰的铁硫酸盐催化活性进一步增强。这个结果表明，光能可能会引起这种反应，促进化学变化的发展。研究小组还发现，引入水蒸气可以进一步提高反应活性，这表明地球热泉蒸汽喷嘴可能是地球早期非酶有机合成的关键场所。
为深入探究催化H中铁硫酸盐？₂驱动的CO₂恢复反应机制，研究小组对傅立叶变换红外光谱进行了原点漫反射。（DRIFTS）经过分析，发现这种反应可能通过逆水煤气转换反应（RWGS）方法是先进行CO，即先进行CO。₂一氧化碳的恢复产生（CO），然后进一步氢化产生甲醇。在此基础上，密度泛函理论（DFT）计算表明，铁硫酸盐中锰的混合物不仅降低了反应的活化能量，而且提供了提高反应效率的高效电子传输点(图4)。另外，铁硫酸盐的氧化还原特性使其具有与现代代谢酶相似的催化功能，为前生命碳的固定提供了化学基础。
图4 密度泛函理论（DFT）计算CO₂纯铁硫酸盐和掺锰铁硫酸盐表面的氢反应
这项研究揭示了前生命碳固定中铁硫酸盐在早期地球陆地热泉中的潜力，为探索生命起源提供了新的方向，为未来寻找地外生命提供了参考。
该研究获得了国家自然科学基金、现代古生物学和地层学国家重点实验室开放基金、核资源和环境国家重点实验室基金、澳大利亚研究理事会探索项目和未来学者奖、日本文部科学省。（MEXT）北海道大学材料纳米架构世界顶级研究中心和光激子建设项目的支持。
论文信息：Nan,J.,Luo,S.,Tran,Q.P. et al. Iron sulfide-catalyzed gaseous CO₂ reduction and prebiotic carbon fixation in terrestrial hot springs. Nat Commun 15,10280 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54062-y
题目：“科学新知识”｜新的研究进一步揭示了地球的生命或起源于“热泉”
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