北大教授最新發現，石頭上也有光合作用

雲峰擁棱層，不動若頑石——

這句為人熟知的詩句背後還蘊藏著不為人知的秘密。

北京大學魯安懷教授課題組最新研究發現：在陽光的照射下，那些看似“無轉移”的岩石上其實也發生著能量的轉移。這項成果已在《美國科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）在線發表。(文章鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.1902473116)

那麽，石頭上的“光合作用”究竟是怎麽回事？

快來一探究竟！

礦物也能利用太陽能

眾所周知，植物、藻類和光養微生物的光合作用吸收二氧化碳，將太陽能轉化為生物化學能，並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岩石或土壤表面，也存在著可以轉化利用太陽能的無機礦物。

這一項2019年4月22日發表在《美國科學院院刊》的成果，是由北京大學地球與空間科學學院魯安懷、李豔和丁竑瑞以及物理學院劉開輝與美國Virgi年 Tech大學Michael F. Hochella Jr.等合作完成的。

當你看到這些地方的地貌，也許在感慨大自然的鬼斧神工，但是在研究者們的眼中，這些典型地貌中蘊含著許多科學的奧秘。

他們對這些典型地貌中岩石和土壤樣品進行深入系統觀測分析，發現直接暴露在太陽光下的岩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。

不同於岩石和土壤原本的成分與結構，這些“礦物膜”富含水鈉錳礦、針鐵礦、赤鐵礦等天然半導體礦物，厚度從數十納米到上百微米不等，呈現出“膜”狀結構特徵。

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

那麽，岩石或土壤表面礦物是否也可以進行“光合作用”呢？

岩石表面的“光合作用”

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

從原理上看，光合作用的反應中心在自然光能驅動下發生電荷分離，通過電子載體進行電子傳遞；而“礦物膜”在太陽能驅動下激發產生光電子-空穴對，通過自然環境中的物質捕獲光空穴，分離光電子，繼而發生電子傳遞過程，也就是光能到化學能的轉化。

更有趣的是，在生物光合作用系統與“礦物膜”光化學反應中，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生在富含錳的蛋白複合體上；而岩石表面，在模擬日光照射下光電轉化信號顯著的區域，則恰好與錳和鐵元素富集的區域吻合。

陽光“鍍膜”

這種新發現的能量轉化機制可謂無機界“非經典光合作用”。除了利用和轉化太陽能，“礦物膜”的產生與發育也和日照條件關係密切。

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

在全球陸地系統的分布中，深色富錳“礦物膜”的分布恰好與太陽光的強異塵餘生區域吻合，就好比陽光在能夠直射到的岩石和土壤表面“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現了“鍍膜”的現象，比如火星上的裸露岩石表面也存在深色富錳“礦物膜”。

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

地球“新圈層”

在陽光普照的大地上，到處都存在這種具有日光光電轉化半導體效應的“礦物膜”，是地球上分布最廣的太陽能薄膜“新圈層”。

“新圈層”承載了吸收轉化太陽能並驅動元素地球化學循環、地球物質演化與地球環境演變等重要功能。

這一發現拓展了經典光合作用模型，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。

這一發現也拓展了我們對自然界太陽能利用途徑的新認識，同時，對研究光合作用系統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化利用太陽能並改造行星表面環境也具有借鑒意義。