科學家提出礦物產氧新途徑和產氧光合作用進化理論

礦物-水界面產生的活性氧（H2O2和O2）對藍細菌祖先造成的進化壓力。何宏平團隊 供圖

　　近日，中國科學院廣州地球化學研究所研究員何宏平、朱建喜與香港大學教授李一良、加拿大阿爾伯塔大學教授Kurt O. Konhauser合作，從礦物表/界面反應的視角，結合生物可利用性和持續供應考慮，提出一種太古代新的產氧途徑和產氧光合作用起源新理論。相關研究11月16日發表于《自然-通訊》。

　　產氧光合作用的起源是個未解之謎

　　產氧光合作用的成功進化導致了地球第一次大氧化事件（The Great Oxidation Event，24.5億–23.3億年前），驅動表層地球系統發生革命性變化，這一關鍵的代謝創新是地球和生命演化歷史上最重要的里程碑事件之一。但時至今日，產氧光合作用如何起源、何時起源仍然是未解之謎。

　　產氧光合作用的核心過程是在光系統II中分解H2O以提取電子，但H2O本身是一種穩定的化合物，藍細菌祖先很難從其中獲取電子。目前普遍認為，在藍細菌祖先獲得分解H2O的能力之前，曾利用過渡的電子給體來進行光合作用。

　　基于藍細菌進化產氧光合作用前必須克服活性氧（ROS，如O2，H2O2等）的毒性這一前提，著名分子生物學家Blankenship教授與Hartman教授共同提出假設：在不產氧的光合反應中心和含錳過氧化氫酶組成的原始系統中，H2O2作為過渡電子給體在雙電子反應中釋放O2。

　　該假設成立的關鍵前提是，太古代地表局部必須有充足的H2O2供應，但最新的研究表明，到達太古代地表的大氣光化學過程產生的H2O2遠不足以支持產氧光合作用的進化。那么，足量的H2O2究竟來源于何處？

　　研究人員選取沉積物中豐度最高的礦物—石英作為研究對象，通過在模擬的太古代大氣環境（PO2<10-6 atm）中開展石英機械磨蝕和石英–水界面反應的實驗，發現在無氧條件下石英表面可以產生充足的H2O2和O2。太古代砂質海岸原位產生的H2O2通量可達到4.87×1011個分子每平方厘米每秒，這種礦物機械化學反應產生H2O2的速率遠高于大氣光化學的H2O2通量（106個分子每平方厘米每秒），足夠形成和維持太古代的局部氧化環境。

　　“即便是現代藍細菌微生物席中的O2生成速率（9.63×1013個分子每平方厘米每秒），也僅比太古代海岸原位產生的O2通量高約400倍。這表明，在淺海高能環境中，石英的磨蝕過程是一個具有重要地質意義的產氧途徑。”何宏平對《中國科學報》說。

　　早期地球的氧化驅動力來源于礦物-水界面反應？

　　研究人員提出，在典型的動蕩水體環境中，礦物–水界面反應可產生充足的H2O2和O2，氧化消耗水體中的還原性電子給體，形成局部氧化環境，對棲息于微生物席或水體中的不產氧光合細菌造成氧化應激，脅迫藍細菌祖先適應ROS毒性并創新代謝方式，從而為產氧光合作用的起源提供進化壓力。

　　正如從南非Moodies群沉積巖（~32億年）中觀察到的那樣，在與沙質層夾雜的微生物席中，藍細菌祖先就可能已經在這樣的弱氧化環境中從H2O2獲取電子來進行產氧光合作用。這一設想與系統發育分析獲得活性氧解毒酶和氧利用酶的出現時間一致，可能是產氧光合作用起源的最早年齡。

　　依據上述發現可進一步推斷，早期地球上類似的氧化環境可能常見于有強烈水動力的陸表水體，這從側面支持了藍細菌最早起源于低鹽度的陸地淡水環境，后來向海水適應和拓殖的演化歷史。此外，這種弱氧化環境也有利于早期生物進行有氧合成和礦化（如，藍細菌合成葉綠素、趨磁細菌礦化合成磁小體Fe3O4）。

　　更重要的是，硅酸鹽礦物物理風化這一產氧途徑的發現為早期地球的氧化還原演化提供了重要啟示。盡管硫同位素的非質量分餾表明，太古代全球大氣的氧濃度低于10-5倍的現代大氣氧水平，但新的無機地球化學指標顯示，太古代氧化事件從38億年前就開始局部零星地出現，其發生頻次和強度逐漸增加，直至24.5億–23.3億年前的氧化高潮（大氧化事件）來臨。

　　這意味著，巖漿洋冷卻后的太古代地表并非傳統理解的均一還原狀態，而太古代的氧化驅動力很有可能就來源于地表廣泛存在的物理剝蝕過程中的礦物-水界面反應。這種產氧途徑在地表局部導致的氧化程度遠超大氣光化學氧化劑的影響，不僅支持早期微生物在氧化環境中適應進化和礦化合成，甚至可以逐漸驅動地球表層系統的氧化演進。

　　相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26916-2