地球初始氧到底哪来的?这发现可能颠覆认知!

如果我告诉你 , “石头会产氧” , 你是否认为是天方夜谭?

地球初始氧到底哪来的?这发现可能颠覆认知!

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(图片来自网络)
氧气是人类与动物呼吸的必需物质 。早期地球大气中几乎没有氧气 , 直至第一次大氧化事件(24.5亿–23.3亿年前)之后 , 大气中才开始有氧气的积累 , 此后出现了真核生物等复杂生命 。在过去的40多年时间里 , 大气光化学反应一直被认为是早期地球初始氧的主要来源 , 其核心是水解离形成过氧化氢 。
但近年的研究发现 , 大气光化学反应产生的过氧化氢通量极低 , 不足以支持产氧光合作用进化等重要过程 。因此 , 地球初始氧的起源是解译地球宜居性演化与生命进化的关键 。
近日 , 中国科学院广州地球化学研究所何宏平团队围绕“地球初始氧的起源”这一关键问题 , 在模拟早期地球大气环境下 , 采用同位素示踪技术解剖了石英-水界面反应过程 , 揭示了地球初始氧的矿物起源——“石头会产氧” 。
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硅酸盐矿物-水界面反应生成H2O2的两种机制
那么 , 石头又是如何产氧的呢?
2021年 , 何宏平研究员团队研究发现 , 在机械外力作用下 , 矿物-水界面反应可产生过氧化氢和羟基自由基等活性氧(ROS) , 并提出由此产生的非生物氧化剂触发了产氧光合作用进化 。
通过实验 , 研究团队发现 , 过氧化氢和氧气中的氧原子主要源自矿物表面基团(过氧自由基) , 只有少量的过氧化氢源自水的解离 , 氧原子在矿物-水-大气三相界面上发生快速交换 。在机械外力作用下 , 硅酸盐矿物-水界面可以不断释放活性氧 , 而且这种作用广泛存在于风化剥蚀、河流冲刷、构造运动等地质过程中 , 构成了早期地球非生物氧化剂的重要来源 。
地球初始氧到底哪来的?这发现可能颠覆认知!

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早期地球矿物起源的ROS产生过程
这一重要发现颠覆了“地球初始氧来源于水分解”的传统认识 , 揭示了矿物表面提供早期地球的初始氧 。该成果及团队的近期相关工作系统阐述了矿物-水界面反应的产氧机制及其在地球宜居性演化过程中的重要作用 , 揭示了这种非生物氧化剂是岩石圈、水圈、大气圈和生物圈协同演化的一种内在动力 。
该系列工作促进了人们对早期地球表面环境的认识从“均一的还原状态”向“局部存在氧化环境”的转变 , 并为生命起源理论和地外生命探测提供了重要启示 。矿物机械化学氧化剂导致的无机“氧绿洲”很有可能也存在于火星等其他类地行星上 , 产生适宜生命起源和演化的化学梯度条件 , 对于探索火星生命也具有重要的指导意义 。
研究成果于3月20日发表于《美国国家科学院院刊》 。
论文信息:Hongping He(何宏平)* , Xiao Wu(吴逍) , Jianxi Zhu(朱建喜) , Mang Lin(林莽) , Ying Lv(吕瑛) , Haiyang Xian(鲜海洋) , Yiping Yang(杨宜坪) , Xiaoju Lin(林枭举) , Shan Li(李珊) , Yiliang Li(李一良) , H. Henry Teng(滕辉) , Mark H. Thiemens*, 2023. A mineral based origin of Earth's initial hydrogen peroxide and molecular oxygen. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. DOI: 10.1073/pnas.2221984120
文章链接:https://doi.org/10.1073/pnas.2221984120
来源:中国科学院广州地球化学研究所
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