我們在實驗室復刻了一個“古代熱泉”，發(fā)現(xiàn)了生命起源的新線索

出品：科普中國

作者：南景博（中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

自古至今，關(guān)于“生命從何而來”的問題，一直吸引著包括我在內(nèi)的無數(shù)科學家和哲學家。

目前，主要存在兩種假說，一種是深海熱液生命起源假說，認為深海熱液噴口是生命起源的最可能場所，因為這些環(huán)境中富含鐵硫化物等礦物，可能是早期生命起源化學反應的催化劑；另一種則是陸地熱泉生命起源假說，認為生命可能誕生于地表熱泉區(qū)域的開放環(huán)境。這里同樣富含鐵硫化物，具備生命起源的環(huán)境條件。

長久以來，兩種假說難分伯仲。我的主要研究方向是地球生命起源，也就是為陸地熱泉生命起源假說提供研究證據(jù)的。今天，我想給大家講述一個我和我團隊的最新發(fā)現(xiàn)，為“陸地派”再上一分。

早期地球陸地熱泉概念圖

（圖片來源：Alex Bosoy）

一次偶然的邂逅，讓我迸發(fā)了研究的靈感火花

我的研究興趣萌芽于2018年在荷蘭烏得勒支大學的交流訪問期間，那時參與了鐵硫化物催化反應的研究。這種礦物不僅與現(xiàn)代酶有著“遠親”關(guān)系，還可能是無機物到有機小分子合成的“催化劑”。這讓我意識到，鐵硫化物在生命起源中扮演的角色可能比我們想象的更加重要。

2021年，在一次學術(shù)會議上，我遇到了新南威爾士大學的Quoc Phuong Tran。我們天南地北地暢想著早期地球上海洋和陸地環(huán)境下的生命起源過程，突然靈機一動：大家都盯著液態(tài)水中的有機合成反應，那陸地熱泉蒸汽會不會也是一個不容忽視的環(huán)境？我隨即決定邀請我本科和研究生期間的老友——在日本國立材料科學研究所工作的羅舜欽博士加入我們的研究。事實證明，他在光熱催化研究領(lǐng)域的專長為后續(xù)模擬實驗的成功開展起到了決定性作用。

開始實驗！在實驗室復刻一個古代熱泉并不容易

我們的實驗設(shè)定看似簡單，卻充滿了挑戰(zhàn)——我們試圖復現(xiàn)地球早期陸地熱泉的環(huán)境，探討鐵硫化物如何催化有機分子的生成。為了模擬那個遠古時代的條件，我們做了大量細致的準備：

合成純凈鐵硫化物：首先，我們需要高純度的鐵硫化物，而這并非易事。商用的鐵硫化物樣品常常含有污染物，這使得實驗結(jié)果變得撲朔迷離。為了保證實驗的純度，我們還參與了鐵硫化物的合成工作，并且摻入了錳等金屬元素，探索其對催化效果的影響。

掃描透射電子顯微鏡顯示鐵硫化物（四方硫鐵礦）催化劑特征

（圖片來源：研究論文）

圖a是鐵硫化物的結(jié)構(gòu)實拍圖。用超高倍電子顯微鏡拍攝的納米顆粒照片，能看到這些小薄片形狀不規(guī)則，顯示出它們已經(jīng)形成了晶體結(jié)構(gòu)。圖b是對圖a中框選區(qū)域進一步放大的原子排列圖，能看到原子排列形成的細密條紋，類似百葉窗的紋理一樣。圖c是鐵硫化物的晶體“身份證”。通過電子束照射產(chǎn)生的環(huán)形指紋圖案。圖d-g是用X射線掃描顯示的不同元素的分布圖，紅色區(qū)域表示鐵元素富集區(qū)域；藍色區(qū)域表示硫元素富集區(qū)域，藍色區(qū)域則表示作為添加劑的錳元素的分布。

模擬早期地球環(huán)境：我們設(shè)計了一個定制的實驗反應器，用來模擬早期地球熱泉的高溫、無氧、富氫環(huán)境。這一反應器能夠精準控制溫度（80-120°C），并允許我們向系統(tǒng)中引入二氧化碳和氫氣，觀察它們在鐵硫化物催化作用下的化學轉(zhuǎn)化過程。

引入水蒸汽與紫外光照射：為了讓實驗盡可能貼近真實的古代熱泉環(huán)境，我們還加入了水蒸汽，模擬熱泉蒸發(fā)-冷凝的循環(huán)過程，并采用特定波長的紫外光照射，模擬早期地球陽光的輻射條件。這些因素可能在遠古地球的化學反應中發(fā)揮關(guān)鍵作用，進一步促進有機分子的形成。

日本國立材料科學研究所羅舜欽博士（右二）與葉金花教授（左二）等人在實驗室交流

（圖片來源：研究團隊供圖）

突破性的發(fā)現(xiàn)：化學魔法的背后

這項研究不僅是科學探索，更是跨學科合作的結(jié)晶。比如，為了消除鐵硫化物中有機污染物的干擾，我們團隊花了數(shù)周時間反復合成材料。一次又一次調(diào)整實驗條件的過程，雖然辛苦，但也充滿了團隊協(xié)作的樂趣。經(jīng)過數(shù)月的實驗，我們終于迎來了激動人心的時刻：鐵硫化物不僅成功催化了二氧化碳的還原反應，還生成了甲醇等有機分子！甲醇等有機分子的生成，標志更復雜有機分子形成的第一步，早期地球可能已經(jīng)具備了生命起源所需的基本化學反應條件。更令我們興奮的是，摻錳的鐵硫化物催化效果更加明顯，紫外光和水蒸氣的加入也大大提高了反應活性。

這一發(fā)現(xiàn)從側(cè)面支持了我們的猜想——陸地熱泉的蒸汽環(huán)境或許正是早期生命起源物質(zhì)來源的“化學熔爐”。

這一發(fā)現(xiàn)不僅為地球生命起源提供了新的線索，也為尋找地外生命帶來了希望：或許在遙遠的某顆行星上，同樣的化學反應正在上演……

未來，我們將繼續(xù)探索生命起源的更多可能

每一次實驗的突破，都讓我們更加堅信，科學的道路是一條不斷擴展邊界的旅程。

接下來，我們將繼續(xù)探索更多礦物在生命起源中的角色，并將這些研究應用于天體生物學?；蛟S有一天，我們會在火星上發(fā)現(xiàn)類似的化學過程，那將是人類理解宇宙生命起源的重要一步。

科學探索永無止境，每一塊拼圖的補充，都將讓我們離答案更近一步。生命起源的謎題，等待著我們繼續(xù)破解！

注：該研究成果發(fā)表在《自然?通訊》（Nature Communications），得到了國家自然科學基金、現(xiàn)代古生物學和地層學國家重點實驗室開放基金、核資源與環(huán)境國家重點實驗室基金、澳大利亞研究理事會探索項目以及未來學者獎、日本文部科學?。∕EXT）材料納米架構(gòu)世界頂級研究中心及北海道大學光激子工程項目的支持。

論文信息：

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