如果我告诉你，“石头会产氧”，你是否认为是天方夜谭？
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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”。
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。
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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