自古至今，關于“生命從何而來”的問題，一直吸引著包括我在內的無數科學家和哲學家。

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域的開放環境。這里同樣富含鐵硫化物，具備生命起源的環境條件。

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的。今天，我想給大家講述一個我和我團隊的最新發現，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。這種礦物不僅與現代酶有著“遠親”關系，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境下的生命起源過程，突然靈機一動：大家都盯著液態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域的專長為后續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

我們的實驗設定看似簡單，卻充滿了挑戰——我們試圖復現地球早期陸地熱泉的環境，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是鐵硫化物的結構實拍圖。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則，顯示出它們已經形成了晶體結構。圖b是對圖a中框選區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”。通過電子束照射產生的環形指紋圖案。圖d-g是用X射線掃描顯示的不同元素的分布圖，紅色區域表示鐵元素富集區域；藍色區域表示硫元素富集區域，藍色區域則表示作為添加劑的錳元素的分布。

模擬早期地球環境：我們設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化過程。

引入水蒸與紫外光照射：為了讓實驗盡可能貼近真實的古代熱泉環境，我們還加入了水蒸汽，模擬熱泉蒸發-冷凝的循環過程，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揮關鍵作用，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）

突破性的發現：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，我們團隊花了數周時間反復合成材料。一次又一次調整實驗條件的過程，雖然辛苦，但也充滿了團隊協作的樂趣。經過數月的實驗，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。

這一發現從側面支持了我們的猜想——陸地熱泉的蒸汽環境或許正是早期生命起源物質來源的“化學熔爐”。

這一發現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。或許有一天，我們會在火星上發現類似的化學過程，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，等待著我們繼續破解！

注：該研究成果發表在《自然?通訊》（Nature Communications），得到了國家自然科學基金、現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、日本文部科學省（MEXT）材料納米架構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

出品：科普中國

作者：南景博（中國科學院南京地質古生物研究所）

監制：中國科普博覽