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磷（P）是生命必需元素，现代环境中其循环以正磷酸盐（HxPO4x?3）为主且生物有效性受限。为探究早期地球磷循环，研究人员分析古代岩石，发现晚太古代海洋中亚磷酸盐（HxPO3x?3）可被生物利用，表明早期地球存在活跃磷氧化还原循环，为生命起源研究提供新视角。
在生命的浩瀚演化长河中，磷元素宛如一位神秘的 “生命建筑师”，默默构筑着生命的基石。作为构成生命六大基本元素（CHONPS）之一，磷在生物系统中扮演着举足轻重的角色 —— 它是核苷酸骨架的核心成分，通过 ATP 为细胞活动注入能量，还以磷脂的形式参与构建细胞膜。然而，在现代地球环境中，磷循环主要依赖大陆岩石风化和海洋中有机磷的再循环，且磷大多以正磷酸盐（
HxPO4x?3，
x=0?3）的形式存在，这种高度氧化且稳定的状态，使其容易与钙、镁、铝、铁等金属阳离子结合，形成难溶性矿物。同时，水合氧化铁、碳酸盐等丰富矿物在沉降过程中也会吸附溶解的正磷酸盐，极大限制了地表水体中磷的生物有效性，导致磷成为现代生态系统中制约生物生产力的关键限制因素。
但早期地球的环境与现代截然不同。在漫长的地球历史中，大部分时间海洋处于缺氧状态，这不禁让科学家猜想：在早期地球，还原态的磷可能更为普遍。然而，长期以来，关于早期地球还原态磷的地质记录极为有限，人们对其在早期生命起源和演化中的作用知之甚少。为了揭开这段神秘的历史面纱，中国科学技术大学深空探测国家重点实验室、深空科学研究所的研究人员郝吉华、李星、琚鹏程与美国伦斯勒理工学院的 Matthew Pasek 合作开展了相关研究，其成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员主要采用了地质样品分析和矿物吸附实验等技术方法。他们对晚太古代条带状铁建造（BIFs）等古代沉积岩进行分析，检测其中还原态磷的含量；同时，开展亚磷酸盐在水合氧化铁（HFO，被认为是条带状铁建造的关键前体）上的吸附实验，以评估亚磷酸盐在早期海洋中的溶解浓度和生物可利用性。
晚太古代海洋中亚磷酸盐的广泛存在
通过对晚太古代条带状铁建造的研究，研究人员发现其中存在中等水平的亚磷酸盐（HxPO3x?3，x=1?3）。结合此前在早至中太古代岩石（包括碳酸盐岩和变质沉积岩）中检测到的痕量至中等水平亚磷酸盐，这些地质记录覆盖了广泛的地质时间范围，表明亚磷酸盐可能是早期地球环境中的常见化合物。进一步的吸附实验表明，亚磷酸盐在水合氧化铁上的吸附能力远弱于正磷酸盐，这意味着在太古代海洋中，亚磷酸盐的溶解浓度可能与正磷酸盐相当，具有较高的生物可利用性。
早期地球还原态磷的多源供给
早期地球还原态磷的来源是多元的。地外物质贡献显著，铁陨石中的金属磷化物、碳质球粒陨石中的烷基膦酸以及彗星中的磷化氢（PH3）等，都含有大量还原态磷化合物，而早期地球频繁的陨石撞击事件为地球带来了丰富的外源磷。同时，地球内部的高能地质过程也功不可没，闪电、火山喷发、蛇纹石化反应以及成岩或变质作用等，都能将部分正磷酸盐转化为还原态磷物种。在地质活动剧烈的早期地球，这些过程更为常见，极大地增加了还原态磷的供给。
还原态磷对早期生命的潜在影响
与正磷酸盐相比，还原态磷化合物具有独特的化学特性。它们化学活性更高，在温和条件下无需极端加热、强效催化剂或强烈辐射，即可促进含磷生物分子的非生物合成，这为早期生命的化学演化提供了更友好的环境。此外，亚磷酸盐等还原态磷在地表水体中的溶解度比正磷酸盐高约 1000 倍，且在水合氧化铁上的吸附较弱，使得其生物可利用性显著增强。系统发育学证据表明，晚太古代的微生物已具备利用亚磷酸盐的能力，因此还原态磷的高可用性可能极大地促进了早期微生物群落的发展，进而提高早期初级生产力，最终为太古代末期大气的氧化提供了可能。
综合来看，这项研究揭示了早期地球生物限制元素磷可能经历了活跃的氧化还原循环，还原态磷在早期生态系统中扮演了重要角色。然而，仍有许多科学问题亟待解决。例如，不同地区、不同地质环境中同期沉积岩的对比研究，有助于明确还原态磷的分布是全球性现象还是局部富集；由于许多还原态磷来源具有间歇性（如地外撞击或地质事件），其分布在时空上可能存在高度异质性，需进一步探究其动态变化规律；同时，成岩或变质作用可能改变原始沉积记录中的磷信号，未来研究需考虑这些过程对还原态磷演化的影响。此外，对其他类地行星（如早期火星、冰卫星）磷氧化还原循环的研究，不仅有助于完善我们对这些天体宜居性的评估，也将提高利用还原态磷化合物作为行星探测生物标志物的可靠性。该研究为理解地球早期生命起源与环境演化的相互作用开辟了新路径，也为地外生命探索提供了重要的理论参考。
