地球与空间科学学院李艳课题组提出功能矿物组合作为评价行星可起源性新指标

　　

生命如何起源？宇宙中是否存在其他生命？这是《科学》125个最具挑战性科学问题中关乎人类生存与发展的核心命题，也是天体生物学百余年来追寻的根本目标。近日，地球与空间科学学院李艳课题组在Fundamental  Research上发表综述论文《矿物在前生命化学演化中的作用：对探测具有生命起源潜力世界的启示》（“The Role of Minerals in Prebiotic Evolution: Implications for Identifying Worlds with the Potential for Life’s Origin”）。文章系统梳理了矿物在前生命化学演化各阶段中的关键作用，并提出通过识别行星表面特征性功能矿物组合作为评估行星环境“可起源性”的理论框架。这一视角将矿物化学从传统地质学拓展至天体生物学前沿，也为未来深空生命信号探测提供了更具操作性的矿物学判断指标。

界定生命出现的条件，是构建生命起源理论的核心前提，而当前对这一问题的认识，主要依赖于对早期地球环境的重建。矿物作为行星地壳的主要构成物质，正日益被视作前生命化学演化中的重要参与者。尽管生命起源的确切时间尚存争议，但地质证据显示，冥古宙地球已存在超过420种矿物。如此丰富的早期矿物多样性，促使研究者重新审视矿物在化学演化进程中的具体角色。

矿物参与从简单分子到原始细胞的完整化学演化链

在化学演化框架下，生命起源是由简单无机分子向复杂生命体系逐步递进的漫长过程。不同矿物凭借各自独特的理化性质，在各阶段发挥着不同的作用：

合成关键的基础小分子：过渡金属硫化物矿物可有效催化二氧化碳和氮气的固定，为氨基酸、核苷酸等单体合成提供基础原料；硼酸盐矿物则通过络合作用稳定极易分解的核糖，为RNA形成创造条件；钛氧化物矿物可通过光催化路径合成全部5种经典核碱基；铁氢氧化物等矿物相可催化无机碳、氮向α-酮酸转化并进一步胺化生成氨基酸；硅铝氧化物、碳酸盐及沸石等矿物相亦能在热条件下促进甲酰胺转化为嘌呤和嘧啶类核碱基。

催化功能聚合物生成：黏土矿物凭借其大比表面积和层状结构，高效吸附、富集氨基酸和核苷酸等单体，在局部高浓度环境下促进单体缩合形成肽键或磷酸二酯键，从而推动多肽和RNA等生物大分子的非生物聚合；黄铁矿、方解石、金红石等矿物表面同样能催化肽键的形成；具有手性结构的矿物（如α-石英、方解石）还可通过选择性吸附特定对映体，参与同手性的初始选择与后续放大；蒙脱石在核苷酸寡聚化中表现突出，可从活化核苷酸单体出发合成10—20个单位的RNA寡聚物，在持续供给活化单体条件下更可获得40—50个单位的长链RNA，并表现出序列特异性和对映选择性，为早期遗传信息的储存与传递提供了可能的矿物学路径。

提供保护与区室化：层状结构矿物能为脆弱的有机分子提供物理庇护，使其免受紫外线辐射和水解破坏；蒙脱石、黄铁矿等矿物表面可引导脂肪酸等两亲性分子组装形成囊泡，为原始细胞的区室化提供模板；高岭石、石英等矿物表面同样具备驱动囊泡形成的能力，甚至可实现RNA与膜结构的共封装，从而在单一体系中耦合遗传物质与区室结构，向原始细胞的形成迈出关键一步。

矿物为前生命化学合成反应提供能量驱动力

前生命化学的持续推进，必须克服热力学与动力学能垒的限制。矿物能将早期地球普遍存在的热能或光能，转化为可直接驱动化学合成的电子能量。例如，深海热液环境中的金属硫化物可利用热电势驱动电子传递，陆地热泉中丰富的自然硫和闪锌矿、硫镉矿等半导体硫化物矿物，则能吸收光能产生强还原性光生电子，直接驱动二氧化碳还原等关键反应。矿物因此成为连接自然能量与前生命化学反应的重要桥梁。

图1 生命起源的潜在生境及其对应矿物可能发挥的作用

矿物通过时空耦合支持前生命化学的级联演化

前生命化学演化的不同阶段对物理化学条件的要求往往相互冲突，因此生命起源并非局限于单一环境，而更可能依赖分布在多个地质环境中的互补反应逐步推进，包括深海热液喷口、陆地温泉，甚至可能的地外环境。早期地球作为一个行星尺度的反应系统，不同环境中的矿物分别作为催化剂、吸附剂、模板和保护支架，促进不同阶段的前生物合成。然而，这种跨阶段演化并非严格连续：更合理的情景是，矿物在局部环境中驱动特定反应生成产物后，这些产物被保存、富集并跨越地质时空尺度被输运至新的有利环境，由新的矿物相接手后续反应。通过矿物介导的“合成-稳定-运输-再活化”循环，前生命化学得以逐步从小分子向大分子聚合物，以及最终更复杂的原始生命体系推进。

从宜居性到可起源性：矿物组合成为探寻地外生命信号的新指标

图2 已被证明的不同类型矿物在前生命化学演化各阶段所发挥的作用

长期以来，探寻地外生命主要聚焦于“宜居性（Habitability）”，即环境是否具备支持已知生命生存的条件。然而，本文强调，宜居并不等于能够孕育生命。为此，作者提出“可起源性（Originability）”新概念，特指环境支持前生命化学演化并最终诞生生命的潜力。由于没有任何一种矿物能参与所有关键反应，因此，多种在演化链条上起互补作用的矿物组合，更能反映一个行星或区域是否具备“可起源性”。例如，同时发现金属硫化物、金属氧化物和黏土矿物，预示着该环境可能具备从单体合成到聚合、再到分子保护等多重潜力。作者据此提出，未来可将矿物组合特征作为评估地外行星“可起源性”的重要指标，与传统生物标志物（如氧气、甲烷）探测形成互补，且矿物信号更稳定、也更易被遥感探测。

未来展望

随着深空探测技术的不断发展，矿物学有望为寻找地外生命提供一套更务实、更具操作性的指标体系。这项研究不仅为理解地球生命起源提供了系统认知，更为地外生命探寻指明了一条矿物学新路径——我们或许不必只搜寻“生命活动的痕迹”，更可以通过识别“孕育生命所需的矿物组合”，来寻找宇宙中更值得探索的候选星球。

李艳为论文通讯作者，地球与空间科学学院硕士研究生卢垕泽为论文第一作者。北京大学化学与分子工程学院梁德海教授共同参与了本研究。本研究还得到了北京大学地球与空间科学学院江大勇教授，生命科学学院赵进东院士、白书农教授，以及华盛顿卡耐基研究所Robert M. Hazen教授的宝贵建议。该工作获得国家自然科学基金原创探索项目等资助。