這種氧源可能早于光合作用。

Jordan Stone 是一項(xiàng)新研究的主要作者，也是紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)最近的環(huán)境地球科學(xué)碩士生，他在這里進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)

大約 38 億年前震動(dòng)地球的強(qiáng)烈地震裂開(kāi)地殼，使化學(xué)反應(yīng)在破裂的巖石深處展開(kāi)。一項(xiàng)新的研究表明，在地震活動(dòng)、水和接近沸點(diǎn)的溫度的推動(dòng)下，這些反應(yīng)可能為世界上一些最早的生命形式提供了氧氣。

根據(jù)周一（8 月 8 日）發(fā)表在《自然通訊》雜志上的這項(xiàng)研究，這種氧氣將包裝在過(guò)氧化氫 (H2O2) 化合物中，該化合物包含兩個(gè)氫原子和兩個(gè)結(jié)合在一起的氧原子。 該研究的資深作者喬恩·泰林 (Jon Telling) 說(shuō)，也許最著名的是作為一種防腐劑，過(guò)氧化氫當(dāng)然會(huì)對(duì)生物體有毒，但一旦被酶或高溫下發(fā)生的反應(yīng)分解，它仍然是一種有用的氧源。

現(xiàn)在，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，Telling 和他的同事發(fā)現(xiàn)了一種方式，即充足的過(guò)氧化氫可能在早期地球上形成，因此可以作為地球上一些最早的生物體的潛在氧氣來(lái)源。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些反應(yīng)在接近水的沸點(diǎn)（212 華氏度或 100 攝氏度）的 溫度下最有效地發(fā)生，但在低于 176 F（80 C）的溫度下仍會(huì)產(chǎn)生少量 H2O2。

Telling 說(shuō)，值得注意的是，這些溫度與嗜熱菌和嗜熱菌（即嗜熱細(xì)菌和古生菌）已知繁衍的溫度范圍重疊。人們認(rèn)為，地球上所有生命的共同祖先也進(jìn)化為生活在炎熱的環(huán)境中，因此從理論上講，這種神秘的祖先生物可能受到地殼深處形成的過(guò)氧化氫的影響。

重要的是，由于過(guò)氧化氫會(huì)破壞細(xì)胞的脂肪、蛋白質(zhì)和DNA，因此早期生物體如果存在于環(huán)境中，就需要采取策略來(lái)“解毒”這種化合物，美國(guó)宇航局艾姆斯研究中心的高級(jí)研究科學(xué)家林恩·羅斯柴爾德 (Lynn Rothschild) 說(shuō)。加州中心，他沒(méi)有參與這項(xiàng)新研究。過(guò)氧化氫也是光合作用的天然副產(chǎn)品，因此為了進(jìn)化出光合作用的能力，生物可能首先需要能夠處理 H2O2。

地殼深處

以前的學(xué)習(xí)，包括羅斯柴爾德實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的工作，表明被認(rèn)為存在于早期地殼中的礦物可能是過(guò)氧化氫的潛在來(lái)源，因此也是氧氣的潛在來(lái)源。

其中一些實(shí)驗(yàn)涉及在特定條件下粉碎巖石，然后將這些碎石暴露在水中。這一系列事件在小范圍內(nèi)模擬了早期地殼構(gòu)造活動(dòng)區(qū)域所承受的物理應(yīng)力巖石，在那里地殼裂開(kāi)，然后水可以滲入內(nèi)部。Telling 說(shuō)，當(dāng)?shù)厍虻哪挲g不到 10 億年時(shí)，地球還沒(méi)有大塊的地殼滑過(guò)地幔，因?yàn)榻裉斓臉?gòu)造板塊在世界各地移動(dòng)。然而，由于火山活動(dòng)和小得多的地殼之間的相互作用，地殼在局部區(qū)域仍然彎曲和破裂，他說(shuō)。

盡管過(guò)去的實(shí)驗(yàn)表明，這種早期的構(gòu)造活動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生氫氣（過(guò)氧化氫的一種成分）和完全形成的過(guò)氧化氫，但這些研究只產(chǎn)生了少量的這些化合物。在他們的新研究中，Telling 和他的同事進(jìn)行了類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)，但將碎石暴露在更廣泛的溫度范圍和更長(zhǎng)的時(shí)間——長(zhǎng)達(dá)一周。根據(jù)過(guò)去的研究，他們懷疑這種方法可能會(huì)增加過(guò)氧化氫的產(chǎn)生量。

在他們的巖石破碎實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)使用了花崗巖（一種在大陸地殼中發(fā)現(xiàn)的巖石）以及玄武巖和橄欖巖，這在早期地球的海洋地殼中可能很豐富。他們將這些巖石在無(wú)氧容器中研磨成細(xì)粉，小心地將碎石轉(zhuǎn)移到密封瓶中，加入水，然后加熱。

隨著巖粉達(dá)到接近沸點(diǎn)的溫度，其組成礦物中的“缺陷”變得越來(lái)越不穩(wěn)定，并且更有可能與水發(fā)生反應(yīng)。具體來(lái)說(shuō)，這些缺陷包括“過(guò)氧鍵”或兩個(gè)氧原子在礦物晶體結(jié)構(gòu)中結(jié)合在一起的地方，通常氧只會(huì)與元素硅結(jié)合。Telling 說(shuō)，如果在晶體形成時(shí)不經(jīng)意地將水添加到晶體結(jié)構(gòu)中，這些缺陷就會(huì)被引入晶體中。

“當(dāng)這些含有這些過(guò)氧鍵的巖石受到壓力時(shí)，這些缺陷實(shí)際上會(huì)發(fā)生錯(cuò)位，”他解釋說(shuō)?！八鼈兛梢酝ㄟ^(guò)晶體結(jié)構(gòu)移動(dòng)到表面，然后它們可以開(kāi)始與水相互作用，”這種相互作用最終會(huì)產(chǎn)生過(guò)氧化氫。

這些結(jié)果表明，至少在早期地球受地震震動(dòng)并在高溫下烘烤的地區(qū)，過(guò)氧化氫可能是環(huán)境的一個(gè)共同特征。也就是說(shuō)，這些實(shí)驗(yàn)無(wú)法捕捉到這些產(chǎn)生 H2O2 的反應(yīng)在早期地球上發(fā)生的確切速率或規(guī)模，Telling 指出。

“看看這種現(xiàn)象有多普遍”以及過(guò)氧化氫如何在全球范圍內(nèi)影響早期生物的進(jìn)化將會(huì)很有趣，羅斯柴爾德說(shuō)，他研究生命可能是如何在早期地球和銀河系其他地方起源和進(jìn)化的. 也就是說(shuō)，H2O2 不需要存在于早期地球的所有環(huán)境中，就能影響地球上生命的進(jìn)化。如果你是一個(gè)直徑只有幾微米的微小微生物，那么無(wú)論如何，你只會(huì)受到周?chē)h(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)的影響。

“老實(shí)說(shuō)，如果你附近有活性氧就足夠了，”羅斯柴爾德說(shuō)。她說(shuō)，這種早期暴露于環(huán)境 H2O2 可能為進(jìn)化成藍(lán)藻的生物體提供了必要的“訓(xùn)練”，藍(lán)藻負(fù)責(zé)將地球大氣中充滿氧氣，從而塑造我們星球的歷史進(jìn)程。