矿物也能“光合作用”

说起光合作用，想必大家不会陌生。它是植物、藻类和光养微生物吸收利用光能，将水和二氧化碳转变为有机物和氧气的过程，它维持了地球二氧化碳和氧气的循环。但自然界是否还普遍存在着其他类型的太阳能收集和利用系统呢？近日，北京大学地球与空间科学学院鲁安怀、李艳、丁竑瑞以及物理学院刘开辉等组成的课题组，在《美国科学院院刊》在线发表研究长文，率先发现了自然界中无机矿物转化太阳能系统，提出太阳光不仅作用于地表生物发生经典光合作用，也一直作用于地表矿物发生非经典“矿物光合作用”。

据介绍，在自然界已知的太阳光子和元素价电子两种基本能量形式基础上，鲁安怀课题组最新提出矿物光电子是地表普遍存在的第三种能量形式的理论。这一新发现拓展了经典光合作用模型，为地球生命活动能量来源及地表地球化学过程吸收利用太阳能提供了新模式，也为太阳系中类地行星如火星表面无机矿物转化利用太阳能提供了重要借鉴。

记者了解到，鲁安怀课题组通过对中国北方戈壁、沙漠以及南方喀斯特和红壤等典型地貌中岩石/土壤样品的深入系统观测分析，发现直接暴露在太阳光下的岩石/土壤颗粒体表面普遍被一层铁锰（氢氧）氧化物“矿物膜”所覆盖。

“矿物膜”厚度从数十纳米到上百微米不等，其结构构造与化学成分显著区别于被包覆的岩石或土壤，富含水钠锰矿、针铁矿、赤铁矿等天然半导体矿物，呈现出“膜”状结构构造特征。

更加值得注意的是，“矿物膜”产出特征和发育状况与日照关系极为密切，如富锰矿物仅在日光照射下的红壤矿物颗粒、喀斯特和戈壁岩石正面“矿物膜”中出现，常见半导体性能优良的层状结构水钠锰矿，而无光照的岩石背面则不富集水钠锰矿。在全球陆地系统中，深色富锰“矿物膜”的分布恰与太阳光的强辐射区域相吻合。此现象在类地行星表面也有发现，如火星表面同样发现深色富锰“矿物膜”存在于裸露岩石表面的证据。

这一发现还表明，在锰化合物光电转化性能上，岩石/土壤表面接受太阳光辐射的富锰“矿物膜”与生物光合作用系统PSII光反应释氧活性中心为锰簇（配）合物异曲同工。

据鲁安怀课题组介绍，通过应用微区与原位光电测试手段，直接测定天然“矿物膜”半导体光电效应，已获得“矿物膜”与基岩高分辨率（微米）光电流信号面分布结果。研究揭示出天然“矿物膜”具有稳定、灵敏的日光光子——光电子转换能力，获得其在一定波长下具有恒定光电转化效率的新认识，证实了地球陆地上无机矿物也是太阳光能量吸收与转化的一类重要物质。

针对地表广泛发育的铁锰氧化物“矿物膜”具有太阳光光电转化的半导体效应这一自然规律的发现，鲁安怀课题组提出，在阳光照射下地表铁锰氧化物“矿物膜”是地球上分布最广的太阳能薄膜“新圈层”，承载着吸收转化太阳能并驱动元素地球化学循环、地球物质演化与地球环境演变等重要功能。

中国科学院光生物学重点实验室主任、研究员林荣呈表示，此项发现大大拓展了我们对自然界太阳能利用途径的新认识，即天然无机矿物也存在与有机光合作用相当的太阳能转化利用系统，同时，对研究光合作用系统的起源和人工光合作用提供了新的视角。（记者晋浩天）