那么，石頭上的“光合作用”究竟是怎么回事？

眾所周知，植物、藻類和光養(yǎng)微生物的光合作用吸收二氧化碳，將太陽能轉(zhuǎn)化為生物化學(xué)能，并釋放我們賴以生存的氧氣，為自然界眾多生物直接或間接提供了能量。

然而，令人意想不到的是，直接暴露在太陽光下的巖石或土壤表面，也存在著可以轉(zhuǎn)化利用太陽能的無機礦物。

研究者們對這些典型地貌中巖石和土壤樣品進(jìn)行深入系統(tǒng)觀測分析，發(fā)現(xiàn)直接暴露在太陽光下的巖石或者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。

不同于巖石和土壤原本的成分與結(jié)構(gòu)，這些“礦物膜”富含水鈉錳礦、針鐵礦、赤鐵礦等天然半導(dǎo)體礦物，厚度從數(shù)十納米到上百微米不等，呈現(xiàn)出“膜”狀結(jié)構(gòu)特征。

從結(jié)構(gòu)上看，“礦物膜”由富含鐵錳(氫氧)氧化物構(gòu)成了片層狀的空間結(jié)構(gòu)，與葉綠體的類囊體片狀垛疊結(jié)構(gòu)有異曲同工之妙。

實際上，這種“礦物膜”的能量轉(zhuǎn)化機制與植物的光合作用有著類似的功能與能量轉(zhuǎn)化機制。

從原理上看，光合作用的反應(yīng)中心在自然光能驅(qū)動下發(fā)生電荷分離，通過電子載體進(jìn)行電子傳遞；而“礦物膜”在太陽能驅(qū)動下激發(fā)產(chǎn)生光電子-空穴對，通過自然環(huán)境中的物質(zhì)捕獲光空穴，分離光電子，繼而發(fā)生電子傳遞過程，也就是光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。

更有趣的是，在生物光合作用系統(tǒng)與“礦物膜”光化學(xué)反應(yīng)中，均離不開金屬元素鐵、錳的參與。

在生物光合作用中水的裂解和氧氣釋放發(fā)生在富含錳的蛋白復(fù)合體上；而巖石表面，在模擬日光照射下光電轉(zhuǎn)化信號顯著的區(qū)域，則恰好與錳和鐵元素富集的區(qū)域吻合。

這種新發(fā)現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)化機制可謂無機界“非經(jīng)典光合作用”。除了利用和轉(zhuǎn)化太陽能，“礦物膜”的產(chǎn)生與發(fā)育也和日照條件關(guān)系密切。

富錳礦物比如水鈉錳礦，僅在日光照射下的巖石正面“礦物膜”中出現(xiàn)，而無光照的巖石背面則不富集水鈉錳礦。

在全球陸地系統(tǒng)的分布中，深色富錳“礦物膜”的分布恰好與太陽光的強輻射區(qū)域吻合，就好比陽光在能夠直射到的巖石和土壤表面“鍍”上了這層“礦物膜”。

不僅是我們生活的地球，在類地行星的表面也發(fā)現(xiàn)了“鍍膜”的現(xiàn)象，比如火星上的裸露巖石表面也存在深色富錳“礦物膜”。

這種天然“礦物膜”具有穩(wěn)定、靈敏的日光光子-光電子的轉(zhuǎn)換能力，在一定波長下具有恒定光電轉(zhuǎn)化效率，證實了無機礦物也是自然界吸收利用和轉(zhuǎn)化太陽能量的重要物質(zhì)。

在陽光普照的大地上，到處都存在這種具有日光光電轉(zhuǎn)化半導(dǎo)體效應(yīng)的“礦物膜”，是地球上分布最廣的太陽能薄膜“新圈層”?！靶氯印背休d了吸收轉(zhuǎn)化太陽能并驅(qū)動元素地球化學(xué)循環(huán)、地球物質(zhì)演化與地球環(huán)境演變等重要功能。

這一發(fā)現(xiàn)拓展了經(jīng)典光合作用模型，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(chǔ)上，提出了礦物光電子是地表普遍存在的第三種能量形式。

這一發(fā)現(xiàn)也拓展了我們對自然界太陽能利用途徑的新認(rèn)識，同時，對研究光合作用系統(tǒng)的起源和人工光合作用提供了新的視角，對太陽系中類地行星表面無機礦物轉(zhuǎn)化利用太陽能并改造行星表面環(huán)境也具有借鑒意義。來源/北京大學(xué)公眾號