地球在给微生物“充电”？科学家发现地震为地下生命持续供能

转自：科普中国

在地球最幽暗的深部地下空间，阳光从未造访，光合作用生成的有机物也极难抵达，使得人们长久以来一直认为这片地球最大的寡营养环境是“生命的荒漠”。

令人意外的是，近年来的探测结果发现，深部地下栖息着全球95%的原核生物，约占总生物量的19%，这比地表全部的动物还要多。这些深部生命只能从氧化还原反应中获取能量和电子维持生存和繁殖活动。因此，探索地下水—岩作用导致的氧化还原反应是解密深部生物圈能量来源与生态多样性的关键。

一次实验室里的岩石裂响揭开了这个谜题，故事发生在中国科学院广州地球化学研究所的行星环境模拟实验室。研究员们通过制造“人工地震”发现，地下微生物所需的能量来自地壳断裂瞬间释放的化学能，它成为阳光的“替代燃料”。

地震产生大量氢气：

地球深部的“发电机”

在何宏平院士和朱建喜研究员的指导下，研究员从深部生命主要栖息地——地下断裂系统——常见的地质过程出发，在实验室进行了一场模拟“人工地震”的实验，研究岩石破裂导致的地球化学效应。

研究员们将坚硬的石英砂与水一同装入密封的球磨罐，模拟地下断层活动的猛烈冲击，实验包括了地壳破裂变形最基本的两种形式：拉伸断裂和剪切断裂。当岩石内部硅氧键像绷紧的琴弦一样断裂，产生极高反应活性的自由基，它们携带有十分活泼的电子，像一群切割工，瞬间把水分子拆解成氢原子和羟基自由基。

神奇的时刻来临，在监测屏幕上突然跳出一条陡峭的氢气信号峰：短短几秒内，在反应容器顶部的空间，氢气浓度从零飙升到将近200微摩尔/升，溶液中的过氧化氢也同步增长至10微摩尔/升。这种现象证实，岩石碎裂的瞬间，可以同时产生还原剂和氧化剂。尤其是在拉伸断裂中，过氧化氢更容易积累，与氢气组成一组新的氧化还原电对，形成了显著的氧化还原梯度。

基于实验结果，研究员们将目光投向真实地壳中的构造活动，地壳内部断层、节理、褶皱等各类构造活动广泛导致岩石破裂。他们搜集了世界数百年来记录的地震发生频次和震级数据，采用经典地球化学模型进行计算。结果令人瞠目：全球每年发生里氏2级以上的地震超过110万次！每一次震动，都在地壳中撕裂岩石，形成的每一个微小裂隙都会使硅酸岩矿物晶格内的硅氧键断裂，引发矿物-水表/界面反应。

据测算，在每平方米的断层面上，地震能产生高达33.1摩尔/年的氢气——这比传统认识的蛇纹石化和辐射裂解反应途径至少高出十万倍！原来，深部生命的“能量货币”——氢气，竟在断裂系统中如此丰沛。

氧化剂

“点燃深部生命能量引擎的火种”

但是，地下生命仅有“氢气”的燃料还不够，还需要“点燃”氢气的“火种”——氧化剂。该团队依据实验比值估算，发现地震同时在每平方米的断层面上产生了39.7摩尔/年的过氧化氢！还原产物与氧化产物并存，二者发生氧化还原反应可以出现“电子流动”并释放大量能量，这足以点燃深部生命的能量引擎，一瞬间为沉寂亿万年的地下世界注入了澎湃的能量风暴！

项目负责人朱建喜研究员表示，地壳内部的断裂活动，就像一台深埋地下的巨型发电机！它将地球内部的磅礴机械能，通过矿物破碎分解水的过程，转化为电能，最终又以氢气、过氧化氢等物质的形式储存为化学能。一次中等地震（里氏5级）释放的氢气，就足以让地下微生物在相当长的时间里吃饱喝足。

在全球尺度上，地震每年产生的氢气总量超过一亿摩尔！也就是说，地球深部几乎是一座永不枯竭的“氢气工厂”。类似过程也发生在火星上，火星沙尘暴中岩石颗粒的剧烈摩擦可以分解水产生氢气，加速了火星表面环境的干燥和氧化。

铁的氧化还原循环：

“深部地下的生命电网”

该团队注意到，氧化还原梯度就像一部“电梯”，电子可以在这巨大的“电梯”上流动，而铁是深部地下最常见的氧化还原敏感元素之一，它在地下水和岩石中广泛分布，自然也就成为这条氧化还原“电梯”上的第一位乘客。研究员在化学实验中发现，岩石破裂产生的微量的过氧化氢可以把地下水里的二价铁轻微氧化成三价铁，而大量活性氢原子也可以把地下水和岩石里的三价铁还原为二价铁。

林莽研究员这样比喻，构造活动驱动了铁离子在两种价态之间循环变化，就像对一块巨大的电池不断充电和放电，微生物只需把“插头”搭上这条电子流动的导线，就能持续抽取其中电子，用以维持代谢活动和繁殖。

该团队还与加拿大BabaraSherwoodLollar教授和KurtO.Konhauser教授展开讨论，共同取得了一个重要认识：地壳断裂通过矿物机械力化学过程驱动铁的氧化还原循环，这个过程进一步又关联了深部地下的碳、氮、硫等元素的生物地球化学循环，促使电子在甲烷/二氧化碳，硫化物/硫酸盐，氨离子/硝酸盐等物质间流动。

从地球到火星：

地震或成地外生命存在的关键条件

这一新发现挑战了“万物生长靠太阳”的传统认识，极大地拓展了人们对生命基础的理解边界，揭示了深部地下生物圈的能量来源和生态多样性成因。

研究员们将化学实验结果与野外探测数据联系，证实了这种能量模型在深部地下环境中具有普适性。例如，从南非金矿3000多米深处的地下水样，到俄罗斯科拉超深钻孔，到美国科罗拉多州地下的岩心，乃至格陵兰岛、爱尔兰和挪威冰盖下的碎裂岩石，深部生命在断裂系统利用氢气和二价铁进行代谢和繁殖的现象普遍存在。

何宏平院士指出，地震等构造活动促进了类地行星深部地下宜居环境的形成。这些间歇性地持续活化的断裂系统，恰恰可能是类地行星深部孕育生命的“摇床”！随着地球大陆地壳的演化和构造活动的增强，这种由矿物机械力化学驱动的“能量引擎”越来越重要。

值得注意的是，地壳断裂不仅使地球深部成为生命躲避地表灾变的“避难所”，也发生在火星古老断层或木卫二冰壳裂缝中，为可能的地下生命提供长期“电池”。在未来地外生命的探测任务中，需要格外关注在火星的断裂带附近的氢气、甲烷、铁循环的共存信号，这些是地外生命存在的关键地球化学条件。

该研究得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、中国科学院先导专项等资助。

参考文献

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