生命起源一直是最引人入胜的科学谜题之一。目前主流理论认为生命起源于地球诞生早期，由无机物通过自发的化学反应逐步演化而来。简要概述就是，无机物通过化学反应，形成有机物小分子，比如氨基酸，脂类，糖类等，然后有机小分子聚合行成有机大分子，最后有机大分子组装形成最原始的生命。这个过程的关键一步——即无机物自发形成有机物的可能性——已在著名的米勒-尤里实验中得到验证。
“失落之城”热液区
（图片来源：D. Kelley/M. Elend/UW/URI-IAO/NOAA/失落之城科学团队）
小知识
“失落之城”热液区（Lost City Hydrothermal Field）是位于大西洋中脊的一处独特深海热液系统，其以碳酸盐结构的热液烟囱体而闻名。科学家认为，“失落之城”可能模拟了早期地球环境，为简单有机分子和生命前反应的发生提供了理想场所。
而关于这些反应发生的地方，大部分科学家相信是发生在深海热液系统附近。深海热液系统，也被称为“黑烟囱”或“白烟囱”，是海底地质活动区域的一种现象。这些系统大多出现在深海的洋中脊，由于这里火山活动活跃，其中含有矿物质的热水从于火山活动有关的裂缝中喷出，与冷海水接触后形成矿物质沉积物，根据矿物质的成分不同，分为白色或黑色的“烟柱”，因此得名。这些喷发的热水富含硫化物和其他化学物质，为早期地球前生命化学反应提供了所需的物质和能量，驱动了有机小分子的形成，为后续复杂生物分子的产生奠定了基础。因此，热液系统被认为是地球上最接近早期地球环境的地方，是生命起源的潜在场所。
但问题在于，在深海热液系统中，这种无机物转变成有机物的化学反应是如何发生的，却依然不是很清楚。最近，科研人员首次在西南印度洋脊的岩石圈地壳中发现了微米级的非生物成因的有机质。这为我们研究无机物向有机物转变的具体过程提供了新的见解。
如何确定深海有机物是否由生物产生？
所谓的非生物成因的有机质是指在没有生命参与的情况下，由简单的无机物质在特定条件下（如高温、高压）通过化学反应形成的有机物质。由于现在地球上生物几乎无处不在，因而由生物产生的有机物也到处都是，因此在进行这项研究时，首要的问题就是区分这些有机物是否由生物产生。
“深海勇士”号载人潜水器：这艘潜水器在西南印度洋脊的岩石圈地壳中获取了重要的玄武岩样品，为研究非生物成因有机质提供了关键材料。
（图片来源：PNAS）
研究所使用的样品来自“深海勇士”号载人潜水器获取的玄武岩样品（TS-10航次）。之所以要在深海采集样本，是因为正如前文所说，目前科学家公认生命可能形成于深海热液系统附近，在目前的科技条件下，前往深海采集样本已经成为可能。一方面这是研究生命起源的好地方，另一方面以前深海环境一直是地球上最为神秘和极端的环境之一，针对这里的研究成果不多，因而， 这里越来越成为科学界研究的热点区域。
从深海采集到样本后，为了区分这些有机物是否与生物有关，科学家们进行了生物分子官能团的分析。生物分子官能团是指生物分子中化学性质比较活泼、容易发生化学反应的原子或基团。它决定了分子的化学反应性质和与其他分子相互作用的方式。例如，蛋白质、脂类、碳水化合物和核酸等生物分子中都含有不同的官能团，每种官能团都带来不同的功能属性。这些官能团的化学特性让生物分子能够进行复杂的生物化学反应，如代谢、信号传递等，在细胞和整个生物体内扮演重要角色。
多模态微区原位分析技术显示了有机质（CCM）中特征生物分子官能团的缺失：这项技术的应用帮助科研人员确认了有机质的非生物成因，为理解其形成机制提供了重要线索。（图片来源：研究论文）
在确定了这些有机物并非来自生命过程之后，随后就需要确定它们是如何形成的。科研人员利用多模态微区原位分析技术，包括电子显微镜、飞行时间二次离子质谱仪以及光诱导力-纳米红外光谱仪等设备，结合密度泛函理论计算分析，科研人员发现这些有机质与针铁矿等水-岩反应产品存在密切的空间相关性，也就是说它们的形成可能与针铁矿有关。
西南印度洋脊洋壳中微米级的非生物成因有机质及周围针铁矿的扫描电子显微镜照片：这张照片展示了非生物成因有机质与针铁矿的密切空间相关性，揭示了它们之间的相互作用。（图片来源：研究论文）
针铁矿表面的铁原子对二氧化碳具有吸附作用，周围的羟基 (-OH)进一步与二氧化碳作用发生氢化反应，促进其活化。在针铁矿的作用下，海水中的二氧化碳得以活化并不断发生反应，从而让碳链逐渐变长，形成如今我们发现的这些有机物。
结语
科研人员开创性地将基于高精度微区分析的密度泛函理论计算应用到天然非生物有机合成过程，清晰掌握了“在没有厨师（生物存在）的情况下，厨房（深海洋中脊）里自己做出了一道菜（有机物质）”的过程。
此次研究还为我们在其他星球或者天体上寻找生命迹象提供了线索。就像是给了我们一把钥匙，去打开探索宇宙中生命秘密的大门。因此，这项研究不仅是对深海的一次探险，也是对宇宙奥秘的一次深入探索。
此次研究是由中国科学院南京地质古生物研究所副研究员南景博和中国科学院深海科学与工程研究所研究员彭晓彤，联合荷兰乌得勒支大学等多家机构的专家一同开展。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、欧洲研究理事会启动基金和荷兰研究理事会（NWO）Vidi基金的支持。
论文信息：Nan, J., Peng, X., Plümper, O., Ten Have, I.C., Lu, J.G., Liu, Q.B., Li, S.L., Hu, Y., Liu, Y., Shen, Z., Yao, W., Tao, R., Preiner, M., and Luo, Y. 2024. Unraveling abiotic organic synthesis pathways in the mafic crust of mid-ocean ridges. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), https://doi.org/10.1073/pnas.2308684121.
作者：刘芸
作者单位：中国科学院南京地质古生物研究所
审核：南景博 中国科学院南京地质古生物研究所副研究员
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