中国科学院广州地球化学研究所研究团队近日围绕“地球初始氧的起源”这一关键问题，在模拟早期地球大气环境下，采用同位素示踪技术解剖了石英－水界面反应过程，揭示了地球初始氧的矿物起源——“石头会产氧”。研究成果于3月20日发表于《美国国家科学院院刊》。
氧气是人类与动物呼吸的必需物质，但在早期地球大气中几乎没有氧气，直至第一次大氧化事件（24.5亿–23.3亿年前）之后，大气中才开始有氧气的积累，此后出现了真核生物等复杂生命。因此，地球初始氧的起源是解译地球宜居性演化与生命进化的关键。
在过去的40多年时间里，大气光化学反应一直被认为是早期地球初始氧的主要来源，其核心是水解离形成过氧化氢（过氧化氢分解可形成氧气）。但近年的研究发现，大气光化学反应产生的过氧化氢通量极低，不足以支持产氧光合作用进化等重要过程。
年，中国科学院广州地球化学研究所何宏平研究员团队发现，在机械外力作用下，矿物－水界面反应可产生过氧化氢和羟基自由基等活性氧（ROS），并提出由此产生的非生物氧化剂触发了产氧光合作用进化。
早期地球矿物起源的活性氧（ROS）产生过程。（中国科学院广州地球化学研究所供图）
围绕“地球初始氧的起源”这一关键问题，研究员团队近期在模拟早期地球大气环境下，采用同位素示踪技术解剖了石英－水界面反应过程并发现，过氧化氢和氧气中的氧原子主要源自矿物表面基团（过氧自由基），只有少量的过氧化氢源自水的解离，氧原子在矿物－水－大气三相界面上发生快速交换。在机械外力作用下，硅酸盐矿物－水界面可以不断释放活性氧，而且这种作用广泛存在于风化剥蚀、河流冲刷、构造运动等地质过程中，构成了早期地球非生物氧化剂的重要来源。
硅酸盐矿物－水界面反应生成过氧化氢的两种机制。（中国科学院广州地球化学研究所供图）
这一重要发现颠覆了“地球初始氧来源于水分解”的传统认识，揭示了矿物表面提供早期地球的初始氧。该成果及团队的近期相关工作系统阐述了矿物－水界面反应的产氧机制及其在地球宜居性演化过程中的重要作用，揭示了这种非生物氧化剂是岩石圈、水圈、大气圈和生物圈协同演化的一种内在动力。该系列工作促进了人们对早期地球表面环境的认识从“均一的还原状态”向“局部存在氧化环境”的转变，并为生命起源理论和地外生命探测提供了重要启示。矿物机械化学氧化剂导致的无机“氧绿洲”很有可能也存在于火星等其他类地行星上，产生适宜生命起源和演化的化学梯度条件，对于探索火星生命也具有重要的指导意义。（记者陆浩）