深海热液生命起源假说和陆地热泉生命起源假说是探索地球上生命起源环境的两大主要理论。陆地热泉生命起源假说指出，生命可能诞生于地表热泉区域这一开放性环境。与深海环境不同，陆地热泉能够接触到阳光，为光热催化反应提供了动力来源。此外，陆地热泉富含铁、硫、二氧化硅等矿物质和化学物质，这些成分与间歇性的干湿循环相结合，可能为有机分子的合成和聚合创造了理想条件。尤其是干湿循环过程，不仅有助于有机分子的浓缩，还能促进更复杂分子的形成，为生命的起源提供了重要的化学基础。
近日，中国科学院南京地质古生物研究所南景博副研究员，与日本国立材料科学研究所（NIMS）罗舜钦博士，澳大利亚新南威尔士大学Quoc Phuong Tran博士等多家单位的学者合作，发现铁硫化物在早期地球陆地热泉中通过非酶催化作用对气态二氧化碳（CO₂）还原和前生命有机分子形成的潜在作用，这一过程或为生命起源提供了关键的化学基础。该研究为理解地球早期生命起源提供了新方向，并指出了铁硫化物在陆地热泉生命起源假说中的重要性。成果发表在最新一期的《自然 ・通讯》（Nature Communications）杂志。
地球早期热液系统中富含铁硫化物，这些铁硫化物可能类似于现代代谢系统中的酶辅因子，参与了生命前的化学反应。前人对于铁硫化物参与生命起源的研究多集中于海底的碱性热液喷口，认为其温度、压力、pH差和蛇纹石化产生的高氢气（H₂）浓度可能为前生命碳固定提供了良好条件。然而，另一些科学家认为，陆地热泉由于同样具备丰富的矿物、化学物质以及阳光辐射（图1），可能提供了一种新的生命起源可能性。
图1 早期地球陆地热泉概念图(Alex Bosoy 绘制)
为探究铁硫化物在陆地热泉前生命碳固定的作用，研究团队在实验中合成了一系列铁硫化物（四方硫铁矿）纳米颗粒（图2），包括纯铁硫化物和掺杂了锰、镍、钛和钴等金属的铁硫化物样品，这些金属元素在热泉环境中较为常见。通过实验，他们发现这些铁硫化物在特定温度（80–120°C）和常压下可催化H₂驱动的CO₂还原反应，并用气相色谱仪对生成的产物甲醇进行了定量测定（图3）。
图2 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3模拟陆地热泉不同条件下金属掺杂铁硫化物催化H₂还原CO₂的反应
研究显示，掺锰的铁硫化物在120°C的反应条件下表现出显著的催化效果。特别地，在紫外-可见光（300–720 nm）和增强紫外光（200–600 nm）照射下，掺锰的铁硫化物催化活性进一步增强。这一结果揭示光能可能在这一反应中发挥了激发作用，促进了化学反应的进行。研究团队还发现，水蒸气的引入可进一步提升反应活性，这指示陆地热泉蒸汽喷口可能是早期地球非酶有机合成的关键场所。
为了深入探究铁硫化物在催化H₂驱动的CO₂还原反应机理，研究团队进行了原位漫反射傅里叶变换红外光谱（DRIFTS）分析，发现这一反应可能通过逆水煤气变换反应（RWGS）途径进行，即先将CO₂还原生成一氧化碳（CO），然后进一步氢化生成甲醇。在此基础上的密度泛函理论（DFT）计算显示，锰在铁硫化物中的掺杂不仅降低了反应的活化能，还可能提供了一个高效的电子传递位点，增强了反应的效率（图4）。此外，铁硫化物的氧化还原特性使其具备与现代代谢酶类似的催化功能，为前生命碳固定提供了化学基础。
图4密度泛函理论（DFT）计算CO₂在纯铁硫化物和掺锰铁硫化物表面上的加氢反应
该研究揭示了早期地球陆地热泉中的铁硫化物在前生命碳固定中的潜力，为探索生命起源提供了新方向，进而为未来寻找地外生命提供依据。
该研究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
原标题：《模拟实验揭示铁硫化物在早期地球陆地热泉生命起源中的潜在作用》
编辑：诸鹏飞
审核：盛捷