太陽給地表貼了層“膜”，讓光照變成電流

自然界的礦物也在發生“光合作用”。這聽起來不可思議，因為在尋常的認知中，只有生物才能進行光合作用。

北京大學地球與空間科學學院魯安懷團隊日前發表于《美國科學院院刊》的研究揭示，自然界無機礦物可轉化成太陽能系統，地表礦物也有光合作用。

礦物屬于無機物，如何發生光合作用呢？實際上，已有研究表明，植物把水變成氧氣這一過程中，錳簇化合物即錳的氧化物（無機物）起著關鍵作用。也就是說，無機物與光合作用有著莫大關聯，甚至可以說是生物光合作用的起源。

魯安懷團隊對中國北方戈壁、沙漠以及南方喀斯特和紅壤等典型地貌中巖石/土壤樣品進行了深入系統觀測分析，發現直接暴露在太陽光下的巖石/土壤顆粒體表面普遍覆蓋著一層鐵錳氧化物——“礦物膜”，其結構構造與化學成分顯著區別于被包覆的巖石或土壤。

他們發現，這些鐵錳氧化物半導體“礦物膜”能吸收太陽光并將其轉化成光電子。盡管理論分析顯示，“礦物膜”中的錳氧化物礦物在吸收光能之后具備催化氧化水產生氧氣的潛力，而且能“固定”大氣中二氧化碳，但目前尚未證實“礦物膜”能否釋放氧氣。

地表“礦物膜”與太陽光關系密切，說它是“太陽曬出來的”產物一點都不足為奇。通常，日照越強，“礦物膜”發育狀況越好，就越“黑亮”，其中錳含量越高，而且富含促進其光催化功能的稀土元素鈰（Ce）。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，最常見的是半導體性能優良的層狀結構水鈉錳礦，而無光照的巖石背面則不富集水鈉錳礦。

在全球陸地系統中，深色富錳“礦物膜”的分布恰與太陽光的強輻射區域相吻合。鐵錳氧化物“礦物膜”不僅存在于陸地地表，還存在于海洋透光層中。可以認為地表“礦物膜”是地球上分布最廣的天然“太陽能薄膜”，從功能上“礦物膜”相當于繼地核、地幔和地殼之后的地球第四大圈層，構成了地球“新圈層”。魯安懷表示，進一步揭示地球“新圈層”功能有助于理解地球物質演化、生命起源進化與環境演變的宏觀過程。

“礦物膜”具有較好的日光響應性能，用它制作的電極在可見光照射下能產生明顯的光電流，而光電流的產生主要與鐵錳氧化物有關。據文章公布的數據，以全球日光平均輻照強度計算，一平方米沙漠巖石漆平均每秒可釋放22.3萬億由光誘導的電子。“這些光電子可能是某些細菌細胞外能量的重要來源。”魯安懷說，鑒于地表“礦物膜”所覆蓋的陸地面積如此之大，它們所產生的“光合作用”不可忽視。

專家表示，在自然界中，不同半導體礦物的光電子具有不同的能量，可對地表元素化合態及其地球化學循環路徑乃至微生物胞外電子傳遞產生普遍的影響。魯安懷稱，接下來他將和團隊進一步研究，以揭示更多有關地表“礦物膜”的秘密。