由于長期隔絕于太陽光和地表有機物，地下數千米的深部空間傳統上被認為是地球上最大的寡營養環境，生命在這里幾乎難以存活和繁殖，但近年來的生命探測結果卻意外發現，深部地下存在一個規模巨大、活躍多樣的生物圈，棲息著地球上95%的原核生物，約占總生物量的19%，這些微生物從多種類型的氧化還原反應中原位獲取能量和電子進行代謝活動。因此，探索地下水-巖作用導致的氧化還原反應是解密深部生物圈能量來源與生態多樣性的關鍵。
眾所周知，氫氣（H2）是深部生命主要利用的還原性物質，其生成途徑包括蛇紋石化反應、放射性元素輻射裂解、硅酸鹽礦物機械力化學反應等等。然而，在深部生命主要集中的斷裂系統中，究竟是哪種途徑能在這里提供足夠的H2以維持微生物生存和活動？此外，深部地下還存在鐵（Fe）等大量氧化還原敏感元素，它們如何與水-巖作用產生的氧化/還原物質反應？這些核心科學問題的解答對于理解深部地下宜居環境的形成與深部生物圈的延續具有重要意義。
近日，中國科學院廣州地球化學研究所何宏平研究員、朱建喜研究員團隊的吳逍博士等人與林莽研究員、加拿大阿爾伯塔大學Kurt O. Konhauser教授、多倫多大學Barbara Sherwood Lollar教授開展合作研究，圍繞“深部地下的宜居性形成與演變”這一關鍵科學問題，從礦物表/界面反應的新視角出發，模擬斷裂活動導致硅酸鹽礦物中硅氧鍵（≡Si-O-Si≡）破裂產生自由基化學位點（≡SiO?和≡Si?）并分解水的過程（圖1），研究發現斷裂在地下巖石傳播過程中同時產生拉伸斷裂（Case I）和剪切斷裂（Case II），二者誘發的礦物-水界面反應均可產生少量活性氧（ROS）和高濃度H2，但拉伸斷裂更容易積累過氧化氫(H2O2)，由此形成新的氧化還原電對（H2O2/H2）（圖1），并在斷裂系統中構建顯著的氧化還原梯度（–0.41 V ~ +0.82 V），足以氧化或還原Fe等大多數物質。
圖1 模擬巖石拉伸破裂(Case I)和剪切破裂(Case II)生成氧化/還原電對的過程
實驗進一步證實，硅酸鹽礦物破裂產生的氧化/還原組分極易與深部環境中的Fe發生反應，地下水中的Fe2+被少量H2O2輕微地氧化為Fe3+（圖2），而礦物中的Fe3+被大量活性氫原子（?H）明顯地還原為Fe2+（圖2），從而產生一系列復雜的氧化還原電對（如Fe2+/Fe3+和Fe3+/H2等），導致氧化還原梯度發展和礦物演化。估算結果表明，在深部生命聚居的斷裂系統中，地震活動導致的H2產量（33.1 mol m–2?yr–1）比蛇紋石化反應和輻射裂解過程至少高105倍，同時產生的?H與H2O2可有效耦合驅動深部地下Fe2+–Fe3+氧化還原循環，進而關聯C、N和S等其他生源元素的地球化學過程（圖2）。
這一重要發現挑戰了“萬物生長靠太陽”的傳統認識，極大地拓展了人們對生命基礎的理解邊界，揭示了深部地下生物圈的能量來源和生態多樣性成因。地震誘發的礦物-水界面自由基反應為深部生命提供了重要的能量來源，建立的氧化還原梯度將促使礦物與生命發生物質交換和能量轉化，支持了深部地下微生物群落的生長、繁殖和多種代謝活動（圖2）。隨著地球深部過程的巨大轉變，大陸地殼發生長英化轉變且構造活動增強，礦物機械力化學過程產生更多H2和H2O2，廣泛造就并維持了具有氧化還原梯度條件的深部地下環境，這不僅為生命提供免遭高能紫外線和隕石撞擊等重大災變事件的避難所，也為生命起源和演化提供了前所未知的重要場所。
需要強調的是，礦物機械力化學過程不僅存在于構造活動、物理風化、河流/海岸沖刷及冰川運動等動力地質作用活躍的地球上，也在其他類地行星上時刻進行著。因此，研究團隊提出，火星等天體上具備顯著氧化還原梯度和良好水滲透性的斷裂系統可能滿足地外生命存在的有利條件，探測火星斷裂帶與氧化/還原組分相關的地球化學信號（如H2，CH4，O2，Fe2+和Fe3+）可能是一個發現地外生命的有效策略。
圖2 類地行星深部地下礦物機械力化學過程驅動的氧化還原循環示意
這項成果及研究團隊近年來發表的系列工作（PNAS,2023；Commun. Earth & Environ.,2023;?Nat. Commun.,2021）持續聚焦礦物機械力化學過程，發現了這種長期忽略的自由基化學反應可同時提供地球初始氧氣和氫氣的起源，提出了礦物可作為機械能向化學能/生物能轉變的能量轉換器，揭示了其在深時尺度上驅動礦物-生命協同演化的內在機制，證實了其在深部過程與表層系統耦合進程中促進宜居環境形成的作用，構建起地幔圈-巖石圈-大氣圈-水圈-生物圈相互作用的關鍵橋梁。
該研究得到了國家杰出青年科學基金項目、國家自然科學基金項目、中國科學院先導專項等項目的聯合資助。研究成果于7月18日發表于《科學進展》（Science Advances）。
論文信息：Xiao Wu (吳逍)，Jianxi Zhu (朱建喜)*，Hongmei Yang (楊紅梅)，Yiping Yang?(楊宜坪)，Xiaoju Lin (林梟舉)，Xiaoliang Liang (梁曉亮)，Mang Lin (林莽)*，Barbara Sherwood Lollar,Kurt O. Konhauser*,Hongping He (何宏平)，2025. Crustal faulting drives biological redox cycling?in the deep subsurface. Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.adx5372
文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adx5372
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延伸閱讀：
He et al.,PNAS?(2023):https://gig.cas.cn/xwdt/kyjz/202303/t20230321_6702906.html
Wu et al.,CEE?(2023):https://gig.cas.cn/xwdt/kyjz/202304/t20230423_6743218.html
Wu et al.,Innovation Geosci. (2023):https://news.qq.com/rain/a/20230721A001S800
He et al.,NC?(2021):https://gig.cas.cn/xwdt/kyjz/202111/t20211117_6258516.html
地球初始氧起源:https://cloud.kepuchina.cn/newSearch/videoDetail?id=7233266456820043776
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