出品：科普中国
作者：南景博（中国科学院南京地质古生物研究所）
监制：中国科普博览
自古至今，关于“生命从何而来”的问题，一直吸引着包括我在内的无数科学家和哲学家。
目前，主要存在两种假说，一种是深海热液生命起源假说，认为深海热液喷口是生命起源的最可能场所，因为这些环境中富含铁硫化物等矿物，可能是早期生命起源化学反应的催化剂；另一种则是陆地热泉生命起源假说，认为生命可能诞生于地表热泉区域的开放环境。这里同样富含铁硫化物，具备生命起源的环境条件。
长久以来，两种假说难分伯仲。我的主要研究方向是地球生命起源，也就是为陆地热泉生命起源假说提供研究证据的。今天，我想给大家讲述一个我和我团队的最新发现，为“陆地派”再上一分。
早期地球陆地热泉概念图
（图片来源：Alex Bosoy）
一次偶然的邂逅，让我迸发了研究的灵感火花
我的研究兴趣萌芽于2018年在荷兰乌得勒支大学的交流访问期间，那时参与了铁硫化物催化反应的研究。这种矿物不仅与现代酶有着“远亲”关系，还可能是无机物到有机小分子合成的“催化剂”。这让我意识到，铁硫化物在生命起源中扮演的角色可能比我们想象的更加重要。
2021年，在一次学术会议上，我遇到了新南威尔士大学的Quoc Phuong Tran。我们天南地北地畅想着早期地球上海洋和陆地环境下的生命起源过程，突然灵机一动：大家都盯着液态水中的有机合成反应，那陆地热泉蒸汽会不会也是一个不容忽视的环境？我随即决定邀请我本科和研究生期间的老友——在日本国立材料科学研究所工作的罗舜钦博士加入我们的研究。事实证明，他在光热催化研究领域的专长为后续模拟实验的成功开展起到了决定性作用。
开始实验！在实验室复刻一个古代热泉并不容易
我们的实验设定看似简单，却充满了挑战——我们试图复现地球早期陆地热泉的环境，探讨铁硫化物如何催化有机分子的生成。为了模拟那个远古时代的条件，我们做了大量细致的准备：
合成纯净铁硫化物：首先，我们需要高纯度的铁硫化物，而这并非易事。商用的铁硫化物样品常常含有污染物，这使得实验结果变得扑朔迷离。为了保证实验的纯度，我们还参与了铁硫化物的合成工作，并且掺入了锰等金属元素，探索其对催化效果的影响。
扫描透射电子显微镜显示铁硫化物（四方硫铁矿）催化剂特征
（图片来源：研究论文）
图a是铁硫化物的结构实拍图。用超高倍电子显微镜拍摄的纳米颗粒照片，能看到这些小薄片形状不规则，显示出它们已经形成了晶体结构。图b是对图a中框选区域进一步放大的原子排列图，能看到原子排列形成的细密条纹，类似百叶窗的纹理一样。图c是铁硫化物的晶体“身份证”。通过电子束照射产生的环形指纹图案。图d-g是用X射线扫描显示的不同元素的分布图，红色区域表示铁元素富集区域；蓝色区域表示硫元素富集区域，蓝色区域则表示作为添加剂的锰元素的分布。
模拟早期地球环境：我们设计了一个定制的实验反应器，用来模拟早期地球热泉的高温、无氧、富氢环境。这一反应器能够精准控制温度（80-120°C），并允许我们向系统中引入二氧化碳和氢气，观察它们在铁硫化物催化作用下的化学转化过程。
引入水蒸汽与紫外光照射：为了让实验尽可能贴近真实的古代热泉环境，我们还加入了水蒸汽，模拟热泉蒸发-冷凝的循环过程，并采用特定波长的紫外光照射，模拟早期地球阳光的辐射条件。这些因素可能在远古地球的化学反应中发挥关键作用，进一步促进有机分子的形成。
日本国立材料科学研究所罗舜钦博士（右二）与叶金花教授（左二）等人在实验室交流
（图片来源：研究团队供图）
突破性的发现：化学魔法的背后
这项研究不仅是科学探索，更是跨学科合作的结晶。比如，为了消除铁硫化物中有机污染物的干扰，我们团队花了数周时间反复合成材料。一次又一次调整实验条件的过程，虽然辛苦，但也充满了团队协作的乐趣。经过数月的实验，我们终于迎来了激动人心的时刻：铁硫化物不仅成功催化了二氧化碳的还原反应，还生成了甲醇等有机分子！甲醇等有机分子的生成，标志更复杂有机分子形成的第一步，早期地球可能已经具备了生命起源所需的基本化学反应条件。更令我们兴奋的是，掺锰的铁硫化物催化效果更加明显，紫外光和水蒸气的加入也大大提高了反应活性。
这一发现从侧面支持了我们的猜想——陆地热泉的蒸汽环境或许正是早期生命起源物质来源的“化学熔炉”。
这一发现不仅为地球生命起源提供了新的线索，也为寻找地外生命带来了希望：或许在遥远的某颗行星上，同样的化学反应正在上演……
未来，我们将继续探索生命起源的更多可能
每一次实验的突破，都让我们更加坚信，科学的道路是一条不断扩展边界的旅程。
接下来，我们将继续探索更多矿物在生命起源中的角色，并将这些研究应用于天体生物学。或许有一天，我们会在火星上发现类似的化学过程，那将是人类理解宇宙生命起源的重要一步。
科学探索永无止境，每一块拼图的补充，都将让我们离答案更近一步。生命起源的谜题，等待着我们继续破解！
注：该研究成果发表在《自然・通讯》（Nature Communications），得到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、核资源与环境国家重点实验室基金、澳大利亚研究理事会探索项目以及未来学者奖、日本文部科学省（MEXT）材料纳米架构世界顶级研究中心及北海道大学光激子工程项目的支持。
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
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