X射線光譜在生命起源和全球氣候變化等若干重大科學問題中的研究進展

羅立強，沈亞婷

國家地質實驗測試中心，北京 100037

引 言

生命從哪里來，到哪里去？ 是自然科學探索的永恒主題。尋找生命起源，研究生命進化，分析影響人類命運的重大事件，是國際科學研究的前沿領域。

生命的誕生與進化，并非一帆風順。一些重大事件的發生必然會產生顯著性影響。發生在66百萬年前的小行星撞擊事件，直接導致了地球上76%的物種消失[1]； 全球氣候變化，也正加劇自然生態惡化，增加人類患病風險，嚴重威脅著人類生存環境。控制和降低大氣二氧化碳(CO2)濃度、減緩全球氣候變暖趨勢，是我們共同面對和關注的重大科學問題。

本文簡要概述了國際上在生命起源、地球早期生命尋跡、全球氣候變化等重大科學問題中的主要研究進展。本文并不對這些領域作全面評述，而主要關注以X射線熒光(XRF)和X射線吸收(XAS)為代表的X射線光譜分析技術在相關領域的研究與應用，以揭示其重要作用和潛在價值。將關鍵科學問題聚焦于： (1)生命起源和進化研究中的物質組成和結構形態； (2)地球早期生命碳成因研究中的元素、物相和生物功能團分析； (3)海洋碳循環及全球氣候變化中的鐵形態與科學意義。

1 生命起源與X射線光譜分析技術

生命起源有多種學說，如源于隕石或彗星等[2]。化學觀點認為生命始于有機物合成[3]，主要包括RNA有機合成[2]及深海熱液新陳代謝[4]兩種學說。這兩種理論假說相互間既有差異也協同互補[5]。

1.1 RNA有機合成理論與XRS

RNA有機合成理論(有機湯理論)認為，地球初始大氣組分富含CH4，NH3和H2，在紫外線輻射下產生氰化氫和乙醛等有機分子，經加氫反應后生成氨基酸，氨基酸的加氫聚合反應生成含核酸基團的腺嘌呤等物質[2,6]。再經進一步濃縮和聚合產生縮氨酸及蛋白質，產生具有自催化和自復制功能的分子[2-3,5]，由此開始RNA、DNA和蛋白質等的復制、信息編碼、序列轉錄、轉移和突變等生命歷程[6]。

目前，基于氰氨、羥乙醛、磷酸鹽等的初始化學成分合成實驗已取得顯著性進展[3]、在太陽系外星系云盤中也發現了CH3CN和HCN等多樣性氰化物[7]證據，支持并解釋了RNA有機合成理論的合理性。但另一方面，RNA有機合成理論還有一些問題待解，例如關于基因編碼的產生機制[6]、RNA合成反應效率及專屬性影響因素等[2]。

隨著生命誕生，地球大氣從富CO2向富氧環境轉變。在此過程中，氣相組成與性質對RNA的生物分子結構也產生了重要影響。最近有研究運用X射線吸收近邊結構(XANES)譜分析C形態[8]，結合模擬溫壓熱降解實驗，發現在粘土礦Mg蒙脫石和富N2/O2條件下，有機質由富含N的芳香族雜環化合物組成； 而在富CO2條件下，則主要為脂肪族和氨基化合物，揭示冥古宙和太古宙時期的大氣組成與性質是決定RNA結構的關鍵性因素。

水和核酸等有機聚合物是生命誕生的兩個基本條件。作為核酸基本組成的嘌呤類化合物是RNA形成中的重要產物。但目前關于腺嘌呤、鳥嘌呤等的形成機制知之甚少[2]。最近有研究采用XANES技術測定水溶液條件下的氮、氧K邊吸收譜[9]，獲得了RNA基本核苷酸單元——單磷酸鳥嘌呤核苷在溶液狀態下的分子結構，揭示了形成機制[9-10]； 此外，還可利用XANES研究RNA大分子折疊機制及化學突變作用機理，探索RNA結構與核糖酶催化活性相關性規律及其反應機制[11]。在探索生命起源和RNA分子構效關系研究中，XAS技術已凸顯出巨大價值，在未來探索RNA動態反應機制和規律研究中將會發揮更為重要的作用。

1.2 深海熱液新陳代謝理論與XRS

46億年(4.6 Ga)前的超新星大爆炸，誕生了太陽系。4.5 Ga期間，地球受系內行星撞擊，產生了月球并致地球旋轉和傾斜，帶來日夜交替、季節變化、熱力和能量分配[12]。早期地球處于缺氧還原環境，太陽光通量比現在大約低20%[13]。地球在4.550～4.033 Ga年間又受到大量小行星強烈轟擊，使地球殼巖難以留存，生命難以誕生或延續。海洋約在4.3～4.4 Ga期間形成[14]。海洋的形成，為生命誕生提供了理想的溫床。

深海熱液新陳代謝理論認為，生命起源于深海熱液系統硫化礦自養化學反應[5]。地球形成初期，中洋脊火山作用產生的熱液噴口及其海床提供了約360～405 ℃的硫化物熱液和生命所需能量，以及豐富的反應氣體、溶解性元素、適宜的pH與溫度條件和氧化還原梯度[4,12,15]，這些物質和環境條件促生了單體有機物形成，并通過一系列自養反應和新陳代謝過程，形成了RNA分子和原始細胞，誕生了生命[4-5]。

兩種學說的主要不同之處在于誕生生命所需的能量來源。有機分子合成理論認為RNA生物分子合成的能量源自空間紫外光照； 而深海熱液學說認為生命依賴于H2和金屬硫化物的催化作用，它通過乙酰輔酶A(AcCoA)路徑還原CO2，由此生成微生物新陳代謝中的核心碳架主鏈硫酯，由于在H2和CO2合成乙酸鹽和CH4時會釋放能量，因此這一過程不需要來自空間的光照提供能量[15]。目前這兩種學說都仍在不斷地探索和研究發展中。

金屬硫化物是深海熱液新陳代謝理論中的關鍵化合物，它催化了生命前體化合物的合成[4-5]。熱液中的一氧化碳和甲基硫通過FeS和NiS的催化反應形成了乙酰甲硫醚，同時也構建隔室內壁、防止反應產物擴散，形成了一個既可保有足夠濃度，又具復制特性的RNA世界[4]。模擬實驗和XANES分析證實，H2S和Fe(Ⅱ)在溶液條件下確可形成穩定的硫化礦物相[16]。廣延X射線吸收精細結構(EXAFS)譜顯示，四面體礦物相第一殼層含4個S原子、第二殼層含2個Fe原子，從而揭示了這種具有生命前體化合物催化性質的硫化礦物相的形成過程與轉化機制，對深入理解生命起源與進化過程具有重要參考價值。

海洋熱液體系中橄欖巖與水發生的蛇紋石化生氫作用，為產生初始非生物型甲烷及其碳氫化合物提供了所需H2源[15,21-22]，是海洋熱液生命體系中的重要地球化學反應。低溫生氫模擬實驗和XANES分析表明，在水巖作用早期階段，含Fe(Ⅱ)礦物與溶液態Fe(Ⅱ)在100 ℃即可發生氧化反應，通過蛇紋石化作用產生溶解性H2、磁鐵礦和低分子量有機酸[23]。在球粒狀隕石硅酸鹽樣品脫氫反應研究中，通過XANES測定Fe3+/TFe(全鐵)比值[24]，發現微米與亞微米級層狀硅酸鹽呈現不同氧化還原態，亞微米級細粒層狀硅酸鹽含70%高比值Fe3+/TFe，微米級粗粒層狀硅酸鹽氧化度較小，僅為55%，揭示高速率生H2與存在高含量Fe3+密切相關，如以下化學反應所示：

3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2

2FeO+H2O→Fe2O3+H2

1.3 生命進化過程與XRS

蛋白質信號傳遞是生命進化研究中的一個重要科學問題，研究表明，它與元素的氧化還原過程相關。

葉綠體傳感激酶(CSK)是一種兩組分信號傳導變性感應組氨酸蛋白酶，可以為質體醌(PQ)與光合作用基因表達提供信號傳遞鏈，其響應和信號傳遞與激酶中的Fe形態轉化相關。利用XAS研究CSK感知和監控PQ氧化還原過程[25]，發現CSK中鐵以Fe3+存在，EXAFS傅里葉變換后的主、次峰位和鍵長揭示CSK中存在Fe—S鍵，半胱氨酸中存在Fe—S配位和Fe—S—Fe鍵橋。這表明CSK是一種通過進化留存下來的氧化還原3Fe—4S簇響應體，其氧化還原態的改變導致了CSK蛋白構象變化，從而實現自激酶活性的響應調制和信號傳遞。

隨著生物進化，生命與碳、氫、氮、氧、硫和磷六種基本元素及起酶催作用的過渡金屬形成了緊密依存關系[26]。過渡金屬在生物進化中常相互替代，但生命基本元素較少觀察到此類現象。近期研究發現，鹽單胞菌可在有砷而無磷條件下生長，出現生命基本元素P被As替代的現象，μXANES和μEXAFS分析顯示，細胞中As為五價而非三價，第一殼層為四氧配位，第二殼層為As(Ⅴ)—O，As(Ⅴ)—C結構，而非As—Fe或As—S結構[26]，表明鹽單胞菌生長中不僅伴隨著砷酸鹽的吸收，而且還隨之進入核酸、蛋白質、脂質及代謝物中，這一研究揭示了生物進化對環境的適應性和生物多樣性。

在小行星撞擊地球等重大事件后，地球及其承載生命的災后恢復能力，是生物進化研究中的一個關鍵科學問題。基于IODP/ICDP國際科學鉆探項目所獲巖芯樣品和XRF分析，對經歷白堊紀小行星撞擊后的生態恢復過程進行研究，發現表征生產力的Ba/Ti比在小行星撞擊后30 kyr為1，撞擊后100 kyr，Ba/Ti比增加到2.0[1]，表明生產力恢復迅速，揭示生態進化過程本身才是生產力恢復的決定性因素。

動物組織結構、形態特征是生物進化和自然選擇的結果。動物皮毛顏色可揭示年齡、雌雄、飲食特性，在自身偽裝、交配、統建領地中發揮著重要作用。例如，生活在侏羅紀早期的狹翼魚龍，與大多數當今仍棲息于遠洋環境并呼吸空氣的脊椎動物一樣，一生多為黑色，它們的枝狀載黑細胞可從生理上通過黑色素再分配調整膚色，過濾紫外線、隱蔽或在寒冷水溫時保持體溫穩定，這些特殊的形態和生理適應性調整，正是這些遠洋四足動物為適應海洋生活而經歷的必要生物進化過程[27]。通過XRF和XAS分析發現，這種褐黑素中存在Zn—S鍵[28]，褐色素殘余物由Zn有機硫絡合物組成[29]，兩者都與真黑素形成內環配位絡合物，與二醇或羧基功能團中的O/N配位[30]，但真黑素不含硫基團，褐黑素需要含硫基半胱氨酸。

在3Ma前業已滅絕的哺乳動物化石中，μXRF顯示Zn主要分布在毛發末梢，XAS揭示Zn與有機S形成了四面體絡合物，構成了高濃度褐色素體，且Cu，Zn，S在動物表皮呈不均勻分布，在尾足部有機硫缺乏，這表明3 Ma年前，此類哺乳動物尚未進化到均勻著色階段[31]，且羽、毛的組分特征和不易降解特性，也應是自然界生物進化的結果。

采用μXRF和XANES分析晚侏羅紀150 Ma鳥類羽毛，在沉積物表層下鳥骨碎片中發現硫酸鹽，與沉積物基質相比，硫醇在羽毛中濃度更高、硫酸鹽更低； 羽毛中Cu與有機硫的非均勻分布相關，揭示兩者間形成了具有殺菌特性的銅有機螯合物，從而抑制了羽毛角質蛋白中的有機硫降解，有效保存了羽毛[32]。羽毛中存在具抑菌作用的Cu有機螯合物，應是生物進化與自然選擇的必然結果。這些研究也充分顯現了XAS技術在發現并揭示生物進化機制與規律探索中的重要作用。

XAS在生命起源與進化研究中也面臨一些挑戰。例如在蛋白質信號傳導機制EXAFS分析中，由于N、O散射特性相近，單一的EXAFS擬合不能區分O或N[25]。一些樣品存在元素間干擾，如用XAS分析角質蛋白中Zn有機硫化物時，硫含量約為7%，而降解產物富含氧化性硫。隨著埋葬降解，雙硫鍵氧化、斷裂，產生的硫K吸收譜背景會干擾原始外皮角質蛋白中較弱的雜環硫振蕩譜，遮蔽了原生硫信號[28]。因此，在使用XAS技術開展生物進化過程與機制的研究中，還需進行深入的探索和多技術結合。

2 早期生命尋跡與X射線光譜分析技術

地球上早期生命可追溯至數十億年前的遠古時代。3.5 Ga是目前認為的最確切生命起點，3.8 Ga或更久遠年代的發現亦有報道[33]。XAS技術在地球早期生命尋跡過程中也發揮了重要作用。

2.1 早期生命尋跡

地球上的早期生命跡象，主要在幾處仍暴露于地表的古老穩定地塊——太古宙克拉通地區發現，如澳大利亞和南非(3.2～3.5 Ga)、格林蘭島和加拿大(>3.5 Ga)等。

在澳大利亞，發現了2.97 Ga古生物膜和球型微生物[34]，在3.20 Ga黑色硅質體和3.24 Ga黃鐵礦中分別發現了鐵厭氧菌[35]、絲狀微生物[36]及有機質與元素碳、氮、硫等[37]。在3.47 Ga重晶石中報道發現了硫酸鹽還原菌[38]和細胞壁降解產物[39]； 在南非，發現了3.20 Ga前一種由潮灘微生物蝕刻作用形成的微生物墊[40]，在3.45 Ga沉積硅質巖中發現了與現代超嗜熱菌相似的微生物，并可見細胞壁[41]； 在格林蘭地區，發現了由光自養菌產生的3.7 Ga生物成因碳[42]及3.8 Ga層狀石墨和磷灰石，石墨內含生物基本元素N，P和S，推測為生物變質作用產物[43]； 在加拿大東北部3.95 Ga變質沉積巖中，據報道發現了認為源于古生物有機質的石墨[44]。在魁北克3.77(U-Pb)～4.28(Sr-Nd)Ga NSB表殼帶鐵質層[33]，發現了具有海水化學組分和重Fe同位素特征的微米級管狀和絲狀赤鐵礦，與海洋熱液沉積層微生物近似，認其為古微生物化石。

這些早期生命跡象的發現，對深入研究地球生命起源和進化具有重要意義。但由于年代久遠，歷經地質、環境巨變，使發現與確證面臨重重困難。

2.2 早期生命質疑

對地球上已報道發現的早期生命跡象，目前的質疑主要包括三個方面：

首先，年代存疑。例如，關于加拿大東北部3.95 Ga泥巖石墨地質年代，有觀點認為這些樣品并沒有作者聲稱的那么古老[45]；

其次，成因存疑。早期生命以假定生命以碳基形式存在，且產生了碳同位素分餾為前提。相比13C，生物選擇性地從化學鍵中捕獲并釋放輕同位素12C。在曾有微生物生存的地方，12C富集。例如3.95 Ga泥巖石墨δ13Corg=-28.2‰～-11.0‰，含較豐富輕碳同位素，并與層疊有機質近似； 碳酸鹽δ13Ccarb與泥巖石墨δ13Corg相差達25%，呈顯著分餾，故認為其源于有機質[44]。但碳同位素不是生物成因的唯一性判據，碳既可源于生物，也可源于非生物[46]，受到了多種因素影響：

① 地質構造作用： 在澳大利亞4.252 Ga鋯石中發現的鉆石-石墨包裹體δ13低達-58‰，但其可能是早期地球構造循環作用的產物，而非生物成因[47]；

② 變質流體作用： 格林蘭3.8 Ga表殼鐵質層石墨，結晶度不好，流體二次運移或高變質作用可導致非生物成因石墨生成[48-49]；

③ 礦物分解作用： 菱鐵礦在450 ℃可發生歧化反應，產生非生物成因石墨[46]：

6FeCO3→2Fe3O4+5CO2+C

④ 非生物合成作用： 實驗室可合成非生物成因甲烷，所得碳同位素特征與生物成因相似[50]，格林蘭3.7 Ga石墨或是由非生物脫碳反應、或金屬與CO的F-T合成反應產生[33,46]。

第三，方法存疑。例如，盡管激光拉曼可揭示保存指數，但非生命指標； 巖石粉碎、樣品制備、非原位測定等，會引入污染，或致母巖缺失，較難獲得準確年齡和成因[51]。

因此，不僅尋找早期生命的跡象十分困難，而且對早期生命的識別與確證也面臨挑戰。

2.3 早期生命質證與X射線光譜

碳成因所具有的雙重性，導致任何單一方法都難以實現對地球上早期生命的確證，需要包括XRS在內的多學科、多技術、多方法的協同研究和多信息佐證。

2.3.1 生物成因識別

低δ13C值是早期生命存在的主要證據，但具有雙重性而不具充要性； 鐵、硫同位素生物和非生物成因分餾效應也與之相似。因此，在同位素分析的同時，探尋地質過程、伴生礦物、反應機制等的相互印證，就成為了辨識早期生命真偽的重要途徑。在此過程中XAS技術顯現了較顯著的潛在應用價值。

(1)礦化機制。碳質進入沉積物，會經歷氧化為碳酸鹽、不溶性三價鐵還原為可溶性亞鐵等過程，并伴生含鐵碳酸鹽、亞鐵硅酸鹽和磁鐵礦等礦物，生成蓮花座型碳酸鹽簇體：

這種特殊簇體可歸因于微生物礦化作用[33]。μXRF和X射線計算機斷層掃描(μXCT)既可準確測定碳酸鹽組成，亦可測定巖石組構和空間結構[52]，是生物礦化機制研究中的重要潛在技術手段和未來發展方向之一。

(2)物相特征。在加拿大東北部發現的3.95 Ga石墨盡管存在歧化反應可能，但并未發現歧化反應產物菱鐵礦和磁鐵礦； 同時，由共聚焦激光拉曼測得的物相結晶溫度亦為(563±50) ℃，與母巖一致，表明石墨非源于后期污染； 再結合其低的δ13C值，故根據以上三點綜合判斷，此石墨為生物成因[44]。與此類似，格林蘭3.7 Ga石墨與母巖結晶溫度的一致性也成為了非后期變質作用產生的主要證據之一[53]。XRF可以定量測定菱鐵礦[54]，如結合XAS分析其中的Fe形態[55]、區分生物和非生物成因納米磁鐵礦[56]，將可更準確厘定礦物反應過程與產物，佐證生物或非生物成因機制。

(3)礦物形貌。近現代熱液生態體系下，沉積物中微生物可產生管狀赤鐵礦； 在加拿大3.77～4.28 Ga熱液沉積物中觀察到絲、柱狀物。根據均變論，遠古時期的管狀和絲狀赤鐵礦也應是細菌包層和胞外細絲礦化殘留，其氫氧化鐵圓柱體由藍藻菌細胞形成[33]。這種三維結構測定，正是μXRS技術的顯著特點。例如，用μXRF掃描侏羅紀早期狹翼魚龍化石[27]，可獲得早期礦化過程所保留的三維細胞形態，且元素微區分布表明，魚龍表皮通過自生磷酸鈣的部分復制形成了化石，促生了原位分子轉化，有機分子轉化為穩定大分子的地質聚合反應，使古生物獲得了二次保存機會。μXRF不僅可以獲得物質二維成分信息[57-58]、三維元素分布[59]及物質空間組構[52]，還可以揭示古生物化石形成和保存機制[27]，因此可為早期生命的識別與研究提供更豐富的多維數據信息。

(4)生命元素。磷等生命基本元素的存在，具有生物成因指示作用。海底碳質積累會通過生物代謝濃聚磷。在加拿大NSB表殼帶含石墨碳酸鹽中發現存在內生磷灰石，且與在古元古代晚期微生物生態系統中發現的磷灰石相似，表明該處石墨源于生物，揭示在3.77～4.28 Ga年前，生命即在海底熱液噴口附近存在并棲息[33]。磷灰石和磷可采用XRF測定[60-62]，EXAFS可揭示過渡金屬與磷灰石納米晶體的鍵合位與結構[63]，如果我們將XRS應用于碳、磷等元素分布與形態分析，將有助于揭示生命元素間的相關性特征。

(5)地質構造。沉積物和碳酸鹽間的不斷鍵合和捕獲形成的沉積疊層結構是早期生命存在的重要跡象。用XRF掃描格林蘭3.7 Ga變質碳酸巖中圓拱和錐型部位，發現元素分布與沉積紋層結構相關，在特定層位K、Ti顯著降低，Si升高，Ca不變； 稀土和鐿元素分配模式與交叉沉積及波紋狀角礫巖分布均揭示其形成于海洋沉積環境，推測為生物CO2埋存作用形成[64]。但這種沉積疊層結構是否由生物活動產生仍受到質疑。用μXRF掃描樣品[65]，確證元素呈梯度分布且Ca，K和Ti變化與前文[64]一致。但新觀點認為[65]，盡管元素呈疊層分布，但巖石從白云巖向石英質過渡時未發現分層殘余物，巖石本身即由石英和富鐵夾層組成； 同步輻射掃描顯示，REE+Y分配模式并不只是源于白云巖，云母也是重要載體； 與碳酸鹽相比，富含云母的硅酸鹽樣品REE+Y豐度更高，Eu正異常也更顯著。綜合主次元素二維分布和稀土元素分配模式，該研究認為所研究樣品盡管源于海洋沉積環境，但碳并非生物成因。遺憾的是，該研究[65]盡管提及XANES，但未見詳情報道。如能應用XAS原位分析元素形態，則應可更準確地質證其來源與成因。

2.3.2 生物功能團鑒定

有機微化石是早期生命的重要標識。采用聚焦離子束FIB獲取亞微米無污染新鮮樣本，通過微區XANES原位測定1.88 Ga年前岡弗林特有機微化石組成和結構[66]，發現遠古生命已具備了蛋白質合成能力，且歷經1.88 Ga漫長地質過程仍可保存至今，極富挑戰性：

(1)有機微化石中觀察到豐富生物功能團： 在288.6，286.4和290.3 eV處觀察到羧基[67-68]、C-N/S/O未飽和鍵和納米OC-CaCO3峰[66,69-70]，以及酰胺/亞胺/腈(401.4 eV)、芳香族N(399.8/398.8 eV)、鈣/鉀硝酸鹽(401.7和405.4 eV)和吡咯(402.2 eV)等[71-72]。微化石中低含量N導致了XANES信噪比低[66]，帶來一定的分析困難；

(2)多樣配位結構反應了復雜地質環境變化。不同N/C比和S-，N-，O-與芳香基結構，反應了不同的熱成熟度、復雜的氧化還原過程及多樣成巖與保存條件。熱成熟度增加，XANES吸收譜峰由高能向低能漂移。高含量烯烴[73]和/或對苯醌等芳雜環功能團[74]將使芳香族和烯烴功能團C-XANES譜拓寬并由285.1向284.9 eV漂移； 酚基/羰基由286.7向286.4 eV漂移。研究表明，芳香結構中雜原子嵌入、氨基酸與酚基間的縮聚反應等，是出現這種漂移的主要原因[67-68]；

(3)配體特征揭示了遠古與現代藻類的相似性與進化變異。由XANES測得有機微化石N/C比為0.21和0.24，現代藍藻和微藻為0.24和0.17，這表明存在源于蛋白質的酰胺基團，揭示其盡管經歷了50度的成巖溫度變化，但亞微米級化石保存了與現代藍藻和微藻相似的C和N有機功能團。有機微化石中含有更高含量的芳香化合物和含氧基團，也揭示了生物進化前后的變異特性。

2.3.3 細胞形態分析

細胞空間結構和形態可揭示生物形成與地質過程的相互關系，從而為佐證生命跡象提供依據。法國阿爾卑斯變質沉積巖中225 Ma石松類大孢子化石，經歷14 k bar和360 ℃高壓變質作用及35 km俯沖造山運動，組構保存完好，孢壁呈有機質化學異質性。由FIB切得包含孢內壁和4～5 μm外壁的薄片，用μNEXAFS測定內、外壁C吸收譜[75-76]，在285.1，292.8和286.7 eV處觀察到芳香族/烯烴C、C—C鍵/芳香及酮基團； 在287.2，288.7和290.3 eV處，發現少量酚基、羧基、脂肪酸功能團； 研究表明外壁由芳香族化合物、烯烴及飽和烴組成，內壁為石墨型碳，有機基團與石墨共存,表明部分有機質經歷變質作用而石墨化，但在經歷高度變質作用后，生物特征并未完全抹去，其殘存有機分子信息仍是生命存在的重要證據[76]。

在地球早期生命的研究中，盡管XRS已在生物成因識別、功能團鑒定及細胞形態分析中得到了成功應用，但更深入的開展XRS微區與形態原位分析，應是未來一段時期的發展方向。

3 全球氣候變化與X射線光譜分析技術

全球氣候變化是人類面臨的重大科學問題，海洋碳循環是影響全球氣候變化的重要因素。探索Fe的生物有效性和沉積碳匯機制，是提升海洋和內陸水系固碳能力的關鍵途徑。

3.1 全球氣候變化

隨著工業化進程，大氣CO2濃度一直呈上升趨勢。與工業革命前相比，CO2已上升38%，到2100年，CO2還將增加20%[77]，減少大氣CO2刻不容緩。

3.1.1 海洋碳匯與海洋鐵循環

海洋碳循環是影響全球氣候變化的重要因素。海洋CO2儲量是大氣的60多倍[78]，人類活動產生的四分之一CO2已被海洋吸收[77]。海洋浮游植物對大氣CO2的光合吸收與沉淀作用，是海洋吸存大氣CO2的主要機制，南大洋生物泵作用的強化導致了從間冰期向全冰期過渡時的CO2降低[79]。

海洋鐵循環，是海洋碳循環的控制性因素，全球大洋50%的初級生產力受鐵循環控制。鐵在地殼中的豐度達5.6%，但除部分冷水海域外，Fe在海水中濃度極低(<10-15mol·L-1)，導致在40%的海域，特別是在高硝酸鹽、低葉綠素海域，Fe供給嚴重不足[80]。鐵量不足，使通過光合作用大量吸收大氣CO2的海洋浮游植物不能有效利用海洋中的氮和磷，導致海洋初級生產力下降，固碳能力減弱； 而海洋鐵量上升，則可使冰期大氣CO2濃度減少約25%[81]。海洋鐵缺失，制約了海洋初級生產力和海洋碳匯能力[82]。

海洋中鐵的存在形態，決定了生物可利用度和海洋初級生產力。海水中鐵量不足的原因在于三價鐵Fe(Ⅲ)的低溶解度[83]。海水中可溶性Fe(Ⅱ)濃度小于1 nmol[84]。以可溶態和膠體顆粒物存在的鐵-有機絡合物是海洋中的主要形態之一[85]。難溶性三價鐵和鐵有機絡合物鐵的存在，降低了海水中鐵的生物可利用度，不利于海洋初級生產力的增長和碳匯能力的加強。

海洋鐵源的時空分布與溶解性存在較大差異，對海洋鐵循環產生了重要影響。鐵既可源于海岸帶和淺層沉積物、冰川、島湖，也可源于火山、塵埃和生物燃燒。大氣飄塵或氣溶膠[83]是海洋中鐵的主要來源之一[86]。在冰川塵粒、燃燒顆粒物和干旱土壤三類大氣飄塵顆粒物中，鐵的可溶性差異達三個數量級[87]。大氣飄塵在長距離(～1 500 km)轉運中，約有一半會沉積于海洋中，顆粒物中所含鐵的礦物組成、物相和形態等，一定程度上控制了其生物可利用性和大洋初級生產力[82]。此外，除了非生物性化學反應影響，海洋鐵循環還會受微生物調控[88]，其在碳鐵循環中的作用亦不可忽視。

3.1.2 內陸水系碳匯與鐵有機絡合物

內陸水系是主要碳源之一。目前內陸水系CO2已處于過飽和狀態，每年向大氣排放2.1 Pg C yr-1的CO2[89]，河流釋放的CO2比湖泊和水庫總排放量高約5倍[90]。陸生碳庫中約有一半通過內陸水系進入海洋[90]。

另一方面，內陸水系也發揮著重要碳匯作用。它會將CO2吸埋于水系沉積物中，且吸埋速率比海洋快。內陸湖泊、水庫每年可吸埋有機碳約0.15 Pg C yr-1，其中水庫吸埋占其中的40%[91]。

沉積有機碳匯是全球碳庫的重要組成部分。全球海洋與水系沉積物中，超過15%的有機碳(OC)通過與活性鐵結合形成穩定的鐵-有機碳(OC-Fe)絡合物，并在沉積物中長期封存。沉積型有機碳約占全球鐵相關有機碳庫的21.5%，其中，總有機碳中23%～27%保持著與活性鐵鍵合，與鐵相關的有機碳儲量是大氣碳量的2 900～6 800倍[92]。

3.1.3 多元素體系對碳鐵循環的潛在影響

鐵的存在形態受共存元素的影響。化石燃料產生的含鐵塵埃對部分海洋表水溶解鐵的貢獻率為70%～85%，并與黑炭、V、Ni、Al等元素存在相互影響[93]。Fe與C、N、O、S的氧化還原反應在驅動全球生物地球化學循環的同時，也受到各種氧化物、氮化物、碳化物、硫化物及共存過渡金屬元素的調控[88]，例如：

2Fe2++MnO2+2H2O→Mn2++2FeOOH+2H+

與Fe相比，Cu的高氧化還原電位及生物可獲性使其從碳代謝物中可提取更多能量[94]； Cu與有機配體的鍵合力也高于Fe[95]； 決定海洋初級生產力的海洋浮游植物生長需要有效利用海洋中的氮，而三種最重要的典型固氮酶在活性反應位除Fe外，還含有V和Mo[96]。因此，在海洋與內陸水系碳循環研究中，探索多元素體系下的相互關系與作用，十分必要。

3.2 全球氣候變化研究中的科學問題

海洋浮游生物對大氣顆粒物中Fe的吸收途徑及其Fe形態轉化機制，是全球氣候變化研究中的一個關鍵科學問題。目前的主要觀點包括：

①光解作用下，Fe(Ⅲ)與鐵載體絡合物分解，Fe(Ⅲ)還原為生物可吸收態Fe(Ⅱ)[97]；

②還原酶作用下，Fe(Ⅲ)-鐵載體在吸收前被還原為過渡態Fe(Ⅱ)s，實現跨植膜運輸[98]；

③生物調控作用下，異養和自養菌類原核生物從鐵載體獲取鐵，硅藻類真核生物將溶液中溶解性Fe(Ⅲ)′還原為Fe(Ⅱ)后吸收[98]，兼養浮游生物直接吸收膠體鐵[85]；

④礦物相作用下，大氣飄塵中亞鐵礦物含量決定了Fe的海洋浮游生物可利用度[99]。

因此，對海洋碳循環具有決定性影響作用的海洋鐵的生物利用機制還需要深入探索。

鐵-有機絡合物精細結構是碳匯研究中的一個重要科學問題。有研究認為，OC-Fe與細粒粘土礦物量正相關； 但也有研究表明，反應鐵相并未提供充足表面用于吸附，而是鐵氧化物中的鐵為溶解性有機大分子提供了具有內聚作用的共價鍵，通過粘土和金屬氧化物吸附[92]、共沉淀或直接螯合[100]，將碳封存于沉積物中，目前，關于OC-Fe的準確配位結構也還沒有取得一致性清晰辨識[101]。

探索Fe-OC構效關系對厘清沉積碳匯機制具有重要科學意義。目前關于OC-Fe絡合物的形成速率、固化過程和構效關系等還不十分明了[82]； OC-Fe在早期成巖和長期埋藏過程中的性質、演化和元素與礦物間的相互作用等科學問題，還需進一步研究[102]； 關于OC-Fe分解所導致的沉積有機碳匯向碳源轉化的潛在可能風險、趨勢與份額等，也亟待進行深入探索。

3.3 全球氣候變化研究中的XRS分析技術

海洋鐵含量極低，只有10-9～10-12mol·L-1 [82]，甚至低至10-15mol·L-1 [80]，在可以測定海洋低鐵量之前，人們還不能認清海洋中碳循環本質。隨著分析技術進步，分析靈敏度提高，人類才進行了海洋中nmol·L-1級鐵量的測定，并由此發現了鐵含量是海洋碳循環中控制因素這一重要科學規律，促進了海洋鐵限學說和海洋碳鐵循環理論的建立[82]。在此基礎上進行的大洋施鐵實驗，顯著提高了海洋初級生產力。沒有分析科學技術的進步，就沒有海洋鐵限學說的形成。

3.3.1 海洋鐵源生物有效性

大氣飄塵是重要海洋鐵源，鐵形態是生物有效性的決定性因素。飄塵中Fe的生物有效性測定，如采用總體評估手段如淋濾實驗，則所測溶解性Fe主要為膠體[103]，而非真實溶解態Fe[99]。而采用μXAS直接測定大氣飄塵中礦物和元素形態，則更為準確、可靠。μXAS研究發現，源自干旱地區飄塵中的可溶性鐵量最小(<1%)，主要由含Fe(Ⅲ)的水鐵礦、針鐵礦和赤鐵礦組成； 冰川塵粒含可溶性鐵量略大(2%～3%)，主要為混合礦物相； 油品燃燒顆粒物中可溶性鐵最高，可達77%～81%，且以易溶Fe(Ⅲ)存在[87]。

有研究認為，藍藻通過細胞表面過程增加溶解速率來實現對顆粒物中鐵及其氧化物的利用[104]。但也有研究發現[99]，與非冰川物質相比，采用冰川顆粒物培養的海洋硅藻生長更迅速，并具有更高光合作用效率。XAS數據顯示，冰川顆粒物中所含原生Fe(Ⅱ)硅酸鹽礦物是產生這一結果的原因，大氣飄塵的生物可利用度由其所含Fe(Ⅱ)原生礦物量控制。該研究也揭示，冷冰期大氣飄塵給海洋帶來了生物有效性更高的鐵源，從而增加了冷冰期海洋碳匯能力。

3.3.2 鐵有機絡合物構效關系

鐵-有機質(Fe-OM)絡合物的形成過程和存在形式對結構穩定性具有顯著影響。EXAFS分析表明，C/(C+Fe)比值變化會影響Fe—C結構和穩定性及Fe和C循環[106]； 因形成不溶性Fe(Ⅲ)-OM絡合物,使得經共沉淀途徑形成的Fe-OM可沉積更大量的碳，而吸附型沉積碳量較低。更為重要的是，與吸附機制相比，經共沉淀機制生成的Fe-OM解吸率更低[107]，有利于碳儲存。

3.3.3 多元素體系

XRS技術在碳鐵生物地球化學循環多元素體系研究中也發揮了重要作用。例如，C，N和Fe的EXAFS譜表明，氨基酸糖作為細胞壁中的重要N源，在富有機質土壤條件下，C和N脂類化合物和蛋白質會在Fe氧化物或氫氧化物表面富集，揭示微生物C和N循環與羥基化Fe氧化物密切相關[108]。海洋瀉湖是海洋潛在鐵源之一，XAS分析發現，瀉湖沉積物中有機碳濃度會影響Fe，Ni和S的存在形態和礦物相組成[109]。

海洋Fe和相關性元素及沉積型有機碳在影響全球碳循環和氣候變化的同時，氣候變化也會通過影響元素存在形態進而影響有機質的穩定性和碳循環。例如，采集夏威夷山坡底土分析其中有機質，結合XANES譜，發現Fe和Al可穩定富N有機質； 降雨量越多，還原態Fe越多； 在還原性氣候條件下，Al對有機質的穩定性影響比Fe更具重要性； 從而揭示氣候變化對有機碳穩定性也產生了顯著性影響[110]。

4 結論與展望

自太陽系誕生、地球形成，生命即開始了從無機向有機分子合成并最終形成RNA世界的漫長旅程。在這之中，有機碳和海洋熱液體系發揮了至關重要的溫床孕育作用。而μXRS因其獨特的元素微區與形態原位分析功能，在研究RNA有機合成、海洋熱液體系硫化礦自養化學反應過程，探索酶活響應與蛋白質信號傳遞途徑，揭示海洋生物地球化學循環機制，發現生命起源與進化中的氧化還原規律等方面，發揮了至關重要的支撐作用，呈現出廣闊的應用前景。

地球上生命起源于何時，目前還沒有取得共識，但對于生命起源與進化的探尋，一直是人類孜孜以求的科學目標。要尋找地球上的最早生命跡象，首先需要確定識別生命是否存在的依據。目前碳同位素比值是生物成因的主要判據，但非充要性條件。因此，尋找相關科學證據即成為必然。XRS不僅可以通過伴生礦物、共存元素、分配模式等的測定分析，提供生物成因證據，而且還可以通過測定元素存在形態、有機功能團結構和細胞壁組成等，提供早期生命的形成環境、保存條件和成因機理等關鍵信息，成為早期生命探尋研究中不可或缺的重要手段。

海洋中可被生物利用的鐵量不足，導致海洋初級生產力下降，固碳能力減弱。目前海洋浮游植物作用下Fe的形態轉化途徑與利用機制、海藻擴散與接觸界面間的元素氧化還原過程等還沒有獲得全面準確認識； 鐵有機質結構穩定性是影響沉積碳匯能力的關鍵因素，但鐵有機絡合物的準確配位還沒有清晰辨識。深入開展XRS微區、原位、活體分析技術與方法研究，準確測定鐵源物相和元素賦存狀態，揭示鐵有機質構效關系及沉積碳儲機制，應是未來的重點發展方向之一。

X射線光譜分析技術不僅在生命起源、地球早期生命、全球氣候變化等重大科學問題的探索中取得了重大研究進展，在冶金、材料、地質、文物、工礦、生態環境與生命科學等領域中，XRS也得到了廣泛應用，其無損、原位、活體分析特性，可獲得物質組分三維微區分布與元素形態信息的巨大應用潛力，在未來科學技術的探索研究中必將發揮更加重要的作用。

致謝：2019年《光譜學與光譜分析》編委會期間，受孟廣政社長之托，組織國內學者撰寫X射線光譜分析研究進展評述專輯。經過一年多的努力，專輯終于得以完稿。在此特別感謝孟社長對我國X射線光譜分析一直以來的關心和支持！ 感謝廣大科研工作者的持久關注，同時也特別感謝參與本專輯撰寫的各位學者。