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編者按：自然界有無機(jī)礦物轉(zhuǎn)化太陽能系統(tǒng)，太陽光能作用于地表礦物發(fā)生非經(jīng)典“礦物光合作用”嗎？

2019年4月22日《美國(guó)科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）在線發(fā)表了北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院魯安懷、李艷和丁竑瑞以及物理學(xué)院劉開輝與美國(guó)Virginia Tech大學(xué)Michael F. Hochella Jr.等合作完成的題為“Photoelectric conversion on Earth’s surface via widespread Fe- and Mn-mineral coatings”的研究成果（網(wǎng)址：https://www.pnas.org/content/early/2019/04/16/1902473116）。

地球陸地上有機(jī)生物和無機(jī)礦物共同暴露在陽光下。眾所周知的是，數(shù)十億年來有機(jī)生物進(jìn)化出復(fù)雜而精巧的胞內(nèi)光合作用系統(tǒng)，可將太陽能轉(zhuǎn)化為生物化學(xué)能，這一機(jī)制已得到深刻認(rèn)識(shí)與廣泛利用。然而，在自然界尚未觀察到非生物的太陽光收集與利用系統(tǒng)，即暴露在太陽光下地球表面廣泛分布的天然礦物，其長(zhǎng)期受到太陽光輻射的響應(yīng)機(jī)制，一直未被認(rèn)識(shí)與利用。

魯安懷等率先在自然界發(fā)現(xiàn)了無機(jī)礦物轉(zhuǎn)化太陽能系統(tǒng)，提出太陽光不僅作用于地表生物發(fā)生經(jīng)典光合作用，也一直作用于地表礦物發(fā)生非經(jīng)典“礦物光合作用”。他們通過對(duì)中國(guó)北方戈壁、沙漠以及南方喀斯特和紅壤等典型地貌中巖石/土壤樣品的深入系統(tǒng)觀測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)直接暴露在太陽光下的巖石/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。“礦物膜”厚度從數(shù)十納米到上百微米不等，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造與化學(xué)成分顯著區(qū)別于被包覆的巖石或土壤，富含水鈉錳礦、針鐵礦、赤鐵礦等天然半導(dǎo)體礦物，呈現(xiàn)出“膜”狀結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征。特別地，“礦物膜”產(chǎn)出特征和發(fā)育狀況與日照關(guān)系極為密切，如富錳礦物僅在日光照射下的紅壤礦物顆粒、喀斯特和戈壁巖石正面“礦物膜”中出現(xiàn)，常見半導(dǎo)體性能優(yōu)良的層狀結(jié)構(gòu)水鈉錳礦，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)中，深色富錳“礦物膜”的分布恰與太陽光的強(qiáng)輻射區(qū)域相吻合。此現(xiàn)象在類地行星表面也有發(fā)現(xiàn)，如火星表面同樣發(fā)現(xiàn)深色富錳“礦物膜”存在于裸露巖石表面的證據(jù)。這一發(fā)現(xiàn)還表明，在錳化合物光電轉(zhuǎn)化性能上，巖石/土壤表面接受太陽光輻射的富錳“礦物膜”與生物光合作用系統(tǒng)PSII光反應(yīng)釋氧活性中心為錳簇（配）合物，具有異曲同工之妙。

通過應(yīng)用微區(qū)與原位光電測(cè)試手段，直接測(cè)定天然“礦物膜”半導(dǎo)體光電效應(yīng)，已獲得“礦物膜”與基巖高分辨率（微米）光電流信號(hào)面分布結(jié)果。發(fā)現(xiàn)富鐵錳“礦物膜”區(qū)域表現(xiàn)出顯著的光電流信號(hào)，而無鐵錳元素富集的基巖不產(chǎn)生光電流響應(yīng)（圖1）。揭示出天然“礦物膜”具有穩(wěn)定、靈敏的日光光子—光電子轉(zhuǎn)換能力，獲得其在一定波長(zhǎng)下具有恒定光電轉(zhuǎn)化效率（IPCE）的新認(rèn)識(shí)，證實(shí)地球陸地上無機(jī)礦物也是太陽光能量吸收與轉(zhuǎn)化的一類重要物質(zhì)。
針對(duì)地表廣泛發(fā)育的鐵錳氧化物“礦物膜”具有太陽光光電轉(zhuǎn)化的半導(dǎo)體效應(yīng)這一自然規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，他們提出在陽光照射下地表鐵錳氧化物“礦物膜”是地球上分布最廣的太陽能薄膜“新圈層”，無疑承載著吸收轉(zhuǎn)化太陽能并驅(qū)動(dòng)地球化學(xué)元素循環(huán)、地球物質(zhì)演化與地球環(huán)境演變等重要功能（圖2）。這一新發(fā)現(xiàn)為深刻理解日光照射下地表礦物所驅(qū)動(dòng)的外動(dòng)力地質(zhì)作用，及其在地球環(huán)境演化與生物進(jìn)化過程中所扮演的重要角色提供了嶄新視角，極大地提升了對(duì)于無機(jī)自然界中存在與生物光合作用相當(dāng)?shù)奶柲苻D(zhuǎn)化利用系統(tǒng)的認(rèn)知水平。

在自然界已知的太陽光子和元素價(jià)電子兩種基本能量形式基礎(chǔ)上，他們新提出礦物光電子是地表普遍存在的第三種能量形式的理論。這一新發(fā)現(xiàn)拓展了經(jīng)典光合作用模型，為地球生命活動(dòng)能量來源及地表地球化學(xué)過程吸收利用太陽能提供了新模式，也為太陽系中類地行星如火星表面無機(jī)礦物轉(zhuǎn)化利用太陽能提供了重要借鑒，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

該項(xiàng)研究工作主要獲國(guó)家973項(xiàng)目（2014CB846001）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFA0300903）和國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（41230103）及優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目（41522201）等資助。

原標(biāo)題： 北大教授在《美國(guó)科學(xué)院院刊》發(fā)表礦物轉(zhuǎn)化太陽能的新發(fā)現(xiàn)