重磅新發現！北京大學發現石頭也能光合作用

　　2019年4月22日，美國科學院院刊 PNAS 在線發表了北京大學地球與空間科學學院魯安懷、李艷和丁竑瑞以及物理學院劉開輝與美國Virginia Tech大學Michael F. Hochella Jr.等合作完成的題為：Photoelectric conversion on Earth’s surface via widespread Fe -and Mn-mineral coatings 的研究成果。

　　地球陸地上有機生物和無機礦物共同暴露在陽光下。眾所周知的是，數十億年來有機生物進化出復雜而精巧的胞內光合作用系統，可將太陽e能轉化為生物化學能，這一機制已得到深刻認識與廣泛利用。然而，在自然界尚未觀察到非生物的太陽光收集與利用系統，即暴露在太陽光下地球表面廣泛分布的天然礦物，其長期受到太陽光輻射的響應機制，一直未被認識與利用。

　　魯安懷等率先在自然界發現了無機礦物轉化太陽能系統，提出太陽光不僅作用于地表生物發生經典光合作用，也一直作用于地表礦物發生非經典“礦物光合作用”。他們通過對中國北方戈壁、沙漠以及南方喀斯特和紅壤等典型地貌中巖石/土壤樣品的深入系統觀測分析，發現直接暴露在太陽光下的巖石/土壤顆粒體表面普遍被一層鐵錳（氫氧）氧化物“礦物膜”（mineral coating）所覆蓋。

太陽光照射下我國典型地貌地表“礦物膜”特征

　　“礦物膜”厚度從數十納米到上百微米不等，其結構構造與化學成分顯著區別于被包覆的巖石或土壤，富含水鈉錳礦、針鐵礦、赤鐵礦等天然半導體礦物，呈現出“膜”狀結構構造特征，與葉綠體的類囊體片狀垛疊結構有異曲同工之妙。特別地，“礦物膜”產出特征和發育狀況與日照關系極為密切，如富錳礦物僅在日光照射下的紅壤礦物顆粒、喀斯特和戈壁巖石正面“礦物膜”中出現，常見于半導體性能優良的層狀結構水鈉錳礦，而無光照的巖石背面則不富集水鈉錳礦。在全球陸地系統中，深色富錳“礦物膜”的分布恰與太陽光的強輻射區域相吻合。此現象在類地行星表面也有發現，如火星表面同樣發現深色富錳“礦物膜”存在于裸露巖石表面的證據。這一發現還表明，在錳化合物光電轉化性能上，巖石/土壤表面接受太陽光輻射的富錳“礦物膜”與生物光合作用系統PSII光反應釋氧活性中心為錳簇（配）合物，具有類似功能。

我國典型地貌地表“礦物膜”中鐵錳氧化物礦物學特征

　　研究人員通過應用將微區與原位光電測試手段，直接測定天然“礦物膜”半導體光電效應，獲得“礦物膜”與基巖高空間分辨率（微米）光電流信號面分布結果。研究還發現富鐵錳“礦物膜”區域表現出顯著的光電流信號，而無鐵錳元素富集的基巖不產生光電流響應（圖1），這揭示出天然“礦物膜”具有穩定、靈敏的日光光子—光電子轉換能力，獲得其在一定波長下具有恒定光電轉化效率（IPCE）的新認識，證實地球陸地上無機礦物也是太陽光能量吸收與轉化的一類重要物質。

圖1 地表鐵錳氧化物半導體“礦物膜”原位產生日光光電流效應

　　 針對地表廣泛發育的鐵錳氧化物“礦物膜”具有太陽光光電轉化的半導體效應這一自然規律的發現，課題組提出在陽光照射下地表鐵錳氧化物“礦物膜”是地球上分布最廣的太陽能薄膜“新圈層”，無疑承載著吸收轉化太陽能并驅動地球化學元素循環、地球物質演化與地球環境演變等重要功能（圖2）。這一新發現為深刻理解日光照射下地表礦物所驅動的外動力地質作用，及其在地球環境演化與生物進化過程中所扮演的重要角色提供了嶄新視角，極大地提升了對于無機自然界中存在與生物光合作用相當的太陽能轉化利用系統的認知水平。

圖2 類似人工太陽能薄膜功能的地表天然“礦物膜”構成了地球“新圈層”

　　 在自然界已知的太陽光子和元素價電子兩種基本能量形式基礎上，他們新提出礦物光電子是地表普遍存在的第三種能量形式的理論。這一新發現拓展了經典光合作用模型，為地球生命活動能量來源及地表地球化學過程吸收利用太陽能提供了新模式，也為太陽系中類地行星如火星表面無機礦物轉化利用太陽能提供了重要借鑒，將產生深遠的影響。

　　論文鏈接：

　　https://www.pnas.org/content/pnas/early/2019/04/16/1902473116.full.pdf