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地球早期生命起源的第一步是合成简单的有机化合物，但合成有机物所需能量来源问题长期困扰着学术界。早期地球上丰富的硫化物半导体矿物可将太阳光子转化为光电子，提供持续的能量来源。也正是由于矿物光电子能量较高，在非生物途径合成小分子有机物方面具有优势。其中半导体矿物自然硫转化太阳能产生的光电子能量，是目前所发现的最高的矿物光电子能量，不仅能直接还原CO2分子为甲酸物质，还可催化其他生命基础物质的合成。在全球陆地系统中暴露在阳光下的岩石/土壤表面普遍被一层铁锰氧化物“矿物膜”所覆盖，光照下含半导体矿物水钠锰矿的“矿物膜”产生原位、灵敏、长效的光电流，显示出优异的光电效应。生物光合作用中心Mn4CaO5在裂解水产氧过程中产生成分和结构类似水钠锰矿的结构中间体，地球早期“矿物膜”中水钠锰矿可能促进了锰簇Mn4CaO5与生物光合作用的起源与进化。早期地球半导体矿物为生命起源基本物质的合成提供直接能量来源，矿物光电子能量在地球早期生命起源与进化中起到了重要作用。 相似文献
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地球上生物因受到太阳光辐射作用而进化出结构精致的光合作用系统。太阳光辐射对地球表面广泛分布的无机矿物的影响与响应机制长期未被重视与理解。我们新发现的地表“矿物膜”转化太阳能系统,具有潜在的产氧固碳作用,体现出自然界中固有的矿物光电效应与非经典光合作用。本文在总结自然界中矿物光电子能量特征,特别是地表“矿物膜”特征及其光电效应性能的基础上,重点探讨铁锰氧化物矿物表现出的光电效应、产氧固碳作用与地质记录。提出矿物享有光电效应特性,地表“矿物膜”富含水钠锰矿、针铁矿、赤铁矿等天然半导体矿物,在日光辐射下具有稳定而灵敏的光电转换性能,产生矿物光电子能量;提出矿物拥有非经典光合作用的性能,自然界无机矿物转化太阳能系统类似生物光合作用吸收转化太阳能的产氧固碳系统,地表“矿物膜”光催化裂解水产氧作用及其转化大气和海洋二氧化碳为碳酸盐矿物作用,孕育出“矿物光合作用”;提出矿物具有促进生物光合作用的功能,生物光合作用中心Mn4CaO5在裂解水产氧过程中产生成分和结构类似水钠锰矿的锰簇化合物结构体,初步认为水钠锰矿可能促使蓝细菌光合作用系统的起源,矿物影响与削弱水分子氢键以改变水的性质,可提高水的分解程度与光合作用效率,为进一步探索矿物促进生物光合作用机理提供科学技术突破的机遇。 相似文献
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矿物光电子能量及矿物与微生物协同作用 总被引：1，自引：0，他引：1
本文总结了天然半导体矿物光电子能量及矿物与微生物协同作用的最新研究成果,特别强调地表微生物、矿物和太阳光多元复杂体系中金属氧化物和金属硫化物半导体矿物的可见光激发光电子特征,阐述了矿物光电子能量利于地球早期生命起源与演化、促进化能自养和化能异养微生物生长代谢、调控矿物与微生物协同作用实现固碳作用。进而提出矿物光电子能有效地将二氧化碳还原为有机物质,可为生命起源提供有机物质基础的认识。 相似文献
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地表“矿物膜”:地球“新圈层” 总被引：1，自引：0，他引：1
地球表层是一个极为复杂的开放系统,其中所充满的阳光、大气、水分、有机酸、无机酸/盐、矿物质和微生物等彼此之间无时无刻不在发生着人们尚未充分认识到的多种自然作用。本文采用环境矿物学、半导体物理学与光电化学等交叉学科研究手段,在我国南方红壤、西南喀斯特和西北戈壁等典型陆地生境中,发现直接暴露于太阳光下的土壤/岩石表面广泛发育有几十纳米到数百微米厚度的铁锰氧化物"矿物膜";详细研究了铁锰氧化物"矿物膜"中矿物组成及其精细结构特征,发现半导体性能优异的水钠锰矿普遍存在,其晶体结构中富含促进其光催化功能的稀土元素Ce。在这些生境中,矿物岩石表面所包覆的铁锰氧化物"矿物膜"总是朝着太阳光发育,岩石背面却不出现"矿物膜",揭示出太阳光照射下的地球陆地表面普遍存在的"矿物膜"与太阳光有着直接的响应关系。光电化学测试结果显示,天然"矿物膜"具有较好的日光响应性能,由其制成的电极在可见光照射下皆能产生明显的光电流,而不含铁锰氧化物矿物的岩石基质样品及石英、长石等矿物样品几乎不产生光电流,表明"矿物膜"光电流的产生主要与铁锰氧化物有关。进一步测得"矿物膜"中主要铁锰氧化物的禁带宽度均小于2. 5eV,证明其均为对可见光具有广泛而良好吸收的天然半导体矿物。以全球日光平均辐照强度100mW/cm~2计以及全球典型生境中"矿物膜"分布面积估算,全球"矿物膜"吸收太阳能等效为生物质能的最大量与2017年度全球糖类产量(1. 92亿吨)相当。铁锰氧化物"矿物膜"不仅存在于陆地地表,还存在于海洋透光层中。可以认为地表"矿物膜"是地球上分布最广的天然"太阳能薄膜",从功能上"矿物膜"相当于继地核、地幔和地壳之后的地球第四大圈层,事实上构成了地球"新圈层",也是地球在太阳光能量驱动下发生外营力地质作用的关键地带。在此基础上,本文提出从"矿物膜"中产生的矿物光电子与太阳光子和元素价电子共同组成了地表存在的三种主要能量形式的认识。深入探讨太阳光照射下地表多圈层交互作用界面上所发生的电子传递与能量转化的微观机制,有助于深刻理解地表"矿物膜"这一地球"新圈层"如何影响地球物质演化、生命起源进化与环境变化演变的宏观过程。 相似文献
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关键带中天然半导体矿物光电子的产生与作用 总被引：1，自引：0，他引：1
在地球上最不均匀和最复杂的区域——关键带这一极为复杂的开放系统中,矿物与微生物无时无刻不在发生着人们尚未充分认识到的自然作用。文中总结了作者十余年来在矿物与微生物交互作用研究领域,侧重在半导体矿物与微生物协同作用研究方向上所取得的研究成果,重点简述了自然界中半导体矿物特征、半导体矿物光电子特性、矿物光电子促进生命起源与演化、微生物利用矿物光电子——光电能微生物的发现以及土壤矿物光电子与微生物协同固碳作用等研究工作。矿物与微生物之间电子转移和能量流动是关键带中最为重要的动力机制之一,探讨关键带中大量存在的天然半导体矿物如何转化太阳能为化学能或者生物质能的微观作用,可为揭示关键带中多个圈层之间交互作用如何影响地球物质演化、生物进化与环境演变的宏观过程提供理论依据,充满着科学发现与理论突破的机遇。 相似文献
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光合作用的起源是一个非常古老的事件,对这个事件的证据,包括基本生物学过程的开启和发展之类的问题,如地球早期光合作用生物的属性以及光合作用生物如何获取光合作用装置等,可能已经消失在时间的长河之中;因此,光合作用起源就成为一个引人入胜的重大科学命题。尽管如此,地质学、生物地球化学、比较生物化学和分子进化分析,为光合作用起源及其复杂的进化历史,提供一些新认识和新线索,主要涉及到以下3个方面:(1)光合作用生命的起源;(2)光合作用装置的起源;(3)光合作用催化剂的起源。追索科学家们对这一重大科学命题的持续研究与艰苦努力,以及所取得的一些重要而且富有智慧的认识,将为今后的深入研究提供一些重要的思考途径和研究线索。同时,追逐光合作用起源的研究进展,对于深入了解早期地球复杂的圈层耦合过程也具有重要意义。这些作用过程主要包括:(1)从不生氧光合作用到生氧光合作用的转变;(2)大气圈与生物圈之间复杂的相互作用和协同进化;(3)生氧光合作用起源与进化所造成的、从一个缺氧的大气圈到今天含氧大气圈的复杂演变过程;(4)大气圈和水圈的渐进氧化作用对地球表面环境以及生命的起源和发育所造成的一个长时间影响;(5)早期地球表层古地理面貌的成型等。更为重要的是,对光合作用起源的地质学尤其是沉积学思考所得出的一些重要认识,尽管不是结论,但是拓宽了沉积学的研究范畴,开阔了沉积学家的研究视眼,同时也成为一个多学科协同作战的范例。 相似文献
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矿物-微生物交互作用广泛参与地球表层系统物质循环与能量流动过程,深刻地影响着一系列重要的地表生物地球化学进程。近年来地表半导体矿物的相关研究,为矿物-微生物交互作用提供了崭新研究方向,揭示地表“日光-半导体矿物-微生物”系统电子传递过程及其环境效应,是地质微生物学交叉领域研究的核心科学问题之一。本研究从地表不同生境“矿物膜”出发,以光电化学技术证实喀斯特、红壤、岩石漆“矿物膜”在1 000 min长时间循环实验中平均光电流值约为5.4、3.4、3.2 μA/cm2,证实“矿物膜”良好日光响应特性且铁锰氧化物矿物在其中发挥核心作用。基于笔者前期研究所发现的“矿物膜”电活性菌富集且与半导体矿物分布呈正相关性这一现象,本文进一步构建模拟光电子红壤细菌群落系统,20天后细菌群落α多样性显著提升,研究证实细菌群落具有模拟光电子响应活性,且电极与溶液群落均具有演化方向性;16S rRNA测序分析表明模拟光电子作用下Shewanella、Pseudomonas、Streptococcus、Lactobacillus、Acinetobacter等电活性菌显著富集。综上,本文研究结果间接证实地表半导体矿物光电子可有效调控微生物群落结构并促进电活性菌在“矿物膜”中富集。 相似文献
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作为生物矿物一种十分重要的类型,生物成因硫化物矿物形成于多种海水和淡水环境中.它们是自然界硫和金属元素循环中的关键一环,并有可能在地球早期生命起源中扮演了重要的角色.现代环境中形成的生物成因硫化物矿物与多种生命过程有着十分密切的联系,微生物和大型生物均可直接或间接地影响生物成因硫化物矿物的形成.重点从生物成因硫化物矿物类型、参与生物矿化的有机体、生物成因硫化物矿物形成机制以及硫化物矿物与生命起源的关系等几个方面综述了生物成因硫化物矿物研究的最新进展. 相似文献
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《矿物岩石地球化学通报》2017,(3)
锰氧化物是常见的半导体材料之一,本文利用XRD、Raman、X射线吸收-发射谱及Zeta电位测试技术对合成的4种锰氧化物矿物(酸性水钠锰矿、碱性水钠锰矿、δ-MnO_2、锰钾矿)的能带结构进行了理论计算。结果表明,4种矿物均是可见光响应的半导体矿物,其禁带宽度分别为2.32 eV、1.77 eV、1.36 eV、1.23 eV;在p H等于6时,4种锰氧化物矿物对应的导带电势分别为-0.32 V、0.09 V、0.39 V、0.46 V(vs.NHE),价带电势分别为2.00 V、1.86 V、1.75 V、1.69 V(vs.NHE)。与腐殖质氧化还原电势相比较,4种锰氧化物矿物在任何pH条件下均能吸收可见光催化氧化腐殖质。从结构上比较,层状结构比隧道结构的锰氧化物可见光催化氧化还原能力更强。 相似文献
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水钠锰矿为自然界中常见的锰氧化物矿物,其离子交换作用及结构转变理解尚不深刻,矿物表征手段较为局限.为探究水钠锰矿的离子交换特性以及结构转变在拉曼光谱上的反映,利用MnSO4和NaOH合成了三斜晶系的Na型水钠锰矿,进行了NH4+、K+、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Co2+、Zn2+的离子交换实验,使用ICP-OES、XRD、拉曼光谱等手段对离子交换水钠锰矿进行表征.拉曼光谱分析表明,570~585 cm-1与640~655 cm-1两个锰氧八面体伸缩振动模式的相对强度及570~585 cm-1附近拉曼峰峰位指示水钠锰矿的结构对称型;570~585 cm-1拉曼峰强度大、振动频率高指示三斜对称型.280 cm-1与500 cm-1附近的拉曼峰是层间离子种类的识别标志.水钠锰矿层间若为Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Ba2+等碱金属、碱土金属离子,则在280 cm-1附近存在1个峰值,500 cm-1存在2个分立的峰值;其他种类的层间离子仅500 cm-1处有1个孤峰,指示层间离子排列无序. 相似文献
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Under the ever-present solar radiation, photosynthetic organisms on Earth evolved structurally-sophisticated photosynthetic systems. However, little attention has been paid to the inherent impact of sunlight illumination on the inorganic minerals widespread on the Earth surface. We discovered for the first time the solar energy conversion system of the “mineral coatings” on the Earth's surface (aka“mineral membrane”), which exerts potential oxygen-production and carbon-sequestration functions on the Earth surface. Our finding shed a light on the photoelectric effect and non-classical photosynthesis involving natural semiconducting minerals. In this contribution, we studied the semiconducting property and photoelectron energy of typical minerals in the “mineral membrane”, focusing primarily on the photoelectric effect in and oxygen-production/carbon-sequestration function of ferromanganese oxides, as well as relevant geological records. We propose that birnessite, goethite and hematite, the semiconducting minerals commonly found in the “mineral membrane”, can perform sensitive and stable photon-to-electron conversion under solar radiation. The non-classical mineral photosynthetic function we put forth is as follows: Solar energy utilization by inorganic minerals resembles photosynthesis in regarding to oxygen evolution and carbon fixing, and the “mineral membrane” may take part in both photocatalytic water-oxidation reaction and transformation of atmospheric CO2into marine carbonate. In addition, minerals might as well have promoted photosynthesis in photosynthetic organisms. During the water-oxidation reaction, the inorganic cluster Mn4CaO5of photosystem II cycles through redox intermediates that are analogous to birnessite both in structure and component. Thus, it is fair to postulate that birnessites could play a role in the initiation of the photosynthesis in cyanobacteria, as minerals could weaken the hydrogen bond strength and alter water properties, thus facilitating water oxidation and photosynthesis. This observation offers further insights into the molecular mechanism of mineral participation in photosynthesis in photosynthetic organisms. 相似文献
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《矿物学报》2013,(Z1)
The Earth surface is a multiple open system. Semiconducting minerals, including most metal oxides and sulfides, absorb visible light of the solar spectrum. Microorganisms evolve varied pathways to get carbon and energy sources. It is obvious that the interaction among solar light, semiconducting minerals, photoelectron/photohole, organics, inorganics, valence electrons and microorganisms occurs continuously on our planet. In a recent study, Lu et al. (2012) presented evidence demonstrating solar energy mediated by semiconducting mineral photocatalysis, acting as energy source, promoted the growth of some non-photosynthetic bacteria and revealed that the ternary system of microorganisms, minerals and solar light has played a critical role in the history of life on our planet. In simulated system, under simulated solar light semiconducting minerals, such as metal oxides and metal sulfides, generates photoelectrons which could be used by non-phototrophic microorganisms to support their metabolisms. The growth of microorganism was closely related to photon quantity and energy, and the microorganism growth and mineral light absorption spectra were fitted well under different light wavelengths. The overall energy efficiency from photon to biomass was 0.13‰ to 1.9‰. Further studies revealed that in natural soil systems, semiconducting mineral photocatalysis could influence the microbial population. Solar energy utilization pathway by nonphototrophic microorganisms mediated by semiconducting mineral photocatalysis provides a new concept to evaluate the origin and evolution of life. Semiconducting minerals are ubiquitous on Earth’s surface and widely participate in redox reactions following photoelectron-photohole pairs excited by solar light. As photoholes can be easily scavenged by environmental reductive substances and microorganisms possess multiple strategies to utilize extracellular electrons, the highly reductive photoelectrons serve as potential energy source for microbial life. The discovery of this pathway extends our knowledge on the use of solar energy by nonphototrophic microorganisms, and provides important clues to evaluate life on the early Earth. Microorganisms, minerals and solar light constitute a complex but important ternary system through Earth history. The discovery of the novel energy conversion pathway in this system demonstrates how nonphototrophic microorganisms directly or indirectly utilized photoelectrons as the solar energy source. The fully comprehending of nonphototrophic bacteria solar energy utilization conducted by semiconducting minerals in present environment will greatly help us to better understand the energy transform mechanism among interfaces of lithosphere, pedosphere, hydrosphere and biosphere. 相似文献
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Phosphorylated compounds (e.g., DNA, RNA, phospholipids, and many coenzymes) are critical to biochemistry. Thus, their origin is of prime interest to origin of life studies. The corrosion of the meteoritic mineral schreibersite ((Fe, Ni)3P) may have significantly contributed to the origin of phosphorylated biomolecules. Corrosion of synthetic schreibersite in a variety of solutions was analyzed by nuclear magnetic resonance spectroscopy, mass spectrometry, and electron paramagnetic resonance spectroscopy. These methods suggest a free-radical reaction pathway for the corrosion of schreibersite to form phosphite radicals () in aqueous solution. These radicals can form activated polyphosphates and can phosphorylate organic compounds such as acetate to form phosphonates and organophosphates (3% total yield). Phosphonates (O3P-C) are found in the organic P inventory of the carbonaceous meteorite Murchison. While phosphonates are rare in biochemistry, the ubiquity of corroding iron meteorites on the early Earth could have provided a source of organic phosphorous compounds for the origin of life, and may have led to the role of organophosphates as a product of early evolution. 相似文献
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微生物对生命元素如碳、氮、硫、氧和金属离子的代谢作用能显著的改变微生物周边的外部环境和其内部环境。在一系列的生物地球化学过程中,微生物参与了矿产的沉积(生物成矿)或参与了矿石和岩石的溶解(生物风化)。生物成矿作用有两个途径：一个叫生物诱导成矿,通过这个过程,微生物分泌出代谢产物导致了之后的矿物颗粒的沉积;另一个叫生物控制成矿,在这个过程中,微生物在控制矿物成核和生长上起到了显著作用。微生物成因的矿物总体来说颗粒都很小和／或有着独特的同位素特征。最普遍的生物成因矿物有碳酸盐、硫化物和铁的氧化物。细胞表面和其分泌的胞外聚合物的结构可以为离子的浓缩、聚合和矿化提供模板,并起到重要作用。地球材料的仿生合成帮助我们了解了在人工条件下的生物成矿机制。此外,在地质环境中生物成因的矿物还可以作为一种生物信号,用来重建地球和其他行星的起源和演化。 相似文献
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Manganese (Mn) oxides are among the strongest oxidants and sorbents in the environment, impacting the transport and speciation of metals, cycling of carbon, and flow of electrons within soils and sediments. The oxidation of Mn(II) to Mn(III/IV) oxides has been primarily attributed to biological processes, due in part to the faster rates of bacterial Mn(II) oxidation compared to observed mineral-induced and other abiotic rates. Here we explore the reactivity of biogenic Mn oxides formed by a common marine bacterium (Roseobacter sp. AzwK-3b), which has been previously shown to oxidize Mn(II) via the production of extracellular superoxide. Oxidation of Mn(II) by superoxide results in the formation of highly reactive colloidal birnessite with hexagonal symmetry. The colloidal oxides induce the rapid oxidation of Mn(II), with dramatically accelerated rates in the presence of organics, presumably due to mineral surface-catalyzed organic radical generation. Mn(II) oxidation by the colloids is further accelerated in presence of both organics and light, implicating reactive oxygen species in aiding abiotic oxidation. Indeed, the enhancement of Mn(II) oxidation is negated when the colloids are reacted with Mn(II) in the presence of superoxide dismutase, an enzyme that scavenges the reactive oxygen species (ROS) superoxide. The reactivity of the colloidal phase is short-lived due to the rapid evolution of the birnessite from hexagonal to pseudo-orthogonal symmetry. The secondary particulate triclinic birnessite phase exhibits a distinct lack of Mn(II) oxidation and subsequent Mn oxide formation. Thus, the evolution of initial reactive hexagonal birnessite to non-reactive triclinic birnessite imposes the need for continuous production of new colloidal hexagonal particles for Mn(II) oxidation to be sustained, illustrating an intimate dependency of enzymatic and mineral-based reactions in Mn(II) oxidation. Further, the coupled enzymatic and mineral-induced pathways are linked such that enzymatic formation of Mn oxide is requisite for the mineral-induced pathway to occur. Here, we show that Mn(II) oxidation involves a complex network of abiotic and biotic processes, including enzymatically produced superoxide, mineral catalysis, organic reactions with mineral surfaces, and likely photo-production of ROS. The complexity of coupled reactions involved in Mn(II) oxidation here highlights the need for further investigations of microbially-mediated Mn oxide formation, including identifying the role of Mn oxide surfaces, organics, reactive oxygen species, and light in Mn(II) oxidation and Mn oxide phase evolution. 相似文献
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对2014年度全球发现并经国际矿物学协会（IMA）新矿物与矿物分类命名专业委员会（CNMNC）批准的112种新矿物资料进行了系统梳理,特别是从矿物名称、晶体化学式、晶系和空间群、晶胞参数、主要粉晶数据、物理性质、光学性质、产地与产状、与其他矿物种的关系、矿物名称来源、化学反应和光谱学特征等方面归纳总结了这些新矿物的重要矿物学特征,同时按照中国新矿物及矿物命名专业委员会颁布的《矿物种汉名审订条例》,对112个新矿物种的中文名称进行了统一审订。通过定期公布国际新矿物工作的新进展和新成果,并逐步完善和规范矿物种中文译名体系,为我国新矿物的发现、研究和命名工作提供有科学价值的参考和借鉴。 相似文献
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流体是地球各圈层之间相互作用的纽带,在成岩、成矿过程中起着十分重要的作用。目前,流体的研究主要集中在流体对先存矿物岩石进行的交代作用方面,而对流体直接结晶形成的矿物领域研究较少。文中根据作者近几年的研究成果对从流体直接结晶而成的矿物——流体晶以及流体晶矿物组合、流体岩等的定义、特征进行了归纳总结。最新的研究结果显示：岩浆中可以含有大量的流体,这些流体来源既可以是岩浆演化富集、岩浆与围岩相互作用产生,亦可以是外部来源。因此,流体晶矿物、流体岩在自然界应该是普遍存在的。流体晶矿物的提出将深化人们对地质过程的理解,发展岩石学及矿床学的研究新领域,有利于矿床勘探和成矿预测。 相似文献