石头上的“光合作用”是怎么回事？

北京大学鲁安怀教授课题组最新研究发现：在阳光的照射下，那些看似“无转移”的岩石上其实也发生着能量的转移。这项成果已于4月22日在《美国科学院院刊》在线发表。

那么，石头上的“光合作用”究竟是怎么回事？

众所周知，植物、藻类和光养微生物的光合作用吸收二氧化碳，将太阳能转化为生物化学能，并释放我们赖以生存的氧气，为自然界众多生物直接或间接提供了能量。

然而，令人意想不到的是，直接暴露在太阳光下的岩石或土壤表面，也存在着可以转化利用太阳能的无机矿物。

研究者们对这些典型地貌中岩石和土壤样品进行深入系统观测分析，发现直接暴露在太阳光下的岩石或者土壤颗粒体表面普遍被一层铁锰(氢氧)氧化物“矿物膜”(mineral coating)所覆盖。

不同于岩石和土壤原本的成分与结构，这些“矿物膜”富含水钠锰矿、针铁矿、赤铁矿等天然半导体矿物，厚度从数十纳米到上百微米不等，呈现出“膜”状结构特征。

从结构上看，“矿物膜”由富含铁锰(氢氧)氧化物构成了片层状的空间结构，与叶绿体的类囊体片状垛叠结构有异曲同工之妙。

实际上，这种“矿物膜”的能量转化机制与植物的光合作用有着类似的功能与能量转化机制。

从原理上看，光合作用的反应中心在自然光能驱动下发生电荷分离，通过电子载体进行电子传递;而“矿物膜”在太阳能驱动下激发产生光电子-空穴对，通过自然环境中的物质捕获光空穴，分离光电子，继而发生电子传递过程，也就是光能到化学能的转化。

更有趣的是，在生物光合作用系统与“矿物膜”光化学反应中，均离不开金属元素铁、锰的参与。

在生物光合作用中水的裂解和氧气释放发生在富含锰的蛋白复合体上;而岩石表面，在模拟日光照射下光电转化信号显著的区域，则恰好与锰和铁元素富集的区域吻合。

这种新发现的能量转化机制可谓无机界“非经典光合作用”。除了利用和转化太阳能，“矿物膜”的产生与发育也和日照条件关系密切。

富锰矿物比如水钠锰矿，仅在日光照射下的岩石正面“矿物膜”中出现，而无光照的岩石背面则不富集水钠锰矿。

在全球陆地系统的分布中，深色富锰“矿物膜”的分布恰好与太阳光的强辐射区域吻合，就好比阳光在能够直射到的岩石和土壤表面“镀”上了这层“矿物膜”。

不仅是我们生活的地球，在类地行星的表面也发现了“镀膜”的现象，比如火星上的裸露岩石表面也存在深色富锰“矿物膜”。

这种天然“矿物膜”具有稳定、灵敏的日光光子-光电子的转换能力，在一定波长下具有恒定光电转化效率，证实了无机矿物也是自然界吸收利用和转化太阳能量的重要物质。

在阳光普照的大地上，到处都存在这种具有日光光电转化半导体效应的“矿物膜”，是地球上分布最广的太阳能薄膜“新圈层”。“新圈层”承载了吸收转化太阳能并驱动元素地球化学循环、地球物质演化与地球环境演变等重要功能。

这一发现拓展了经典光合作用模型，在自然界已知的太阳光子和元素价电子两种基本能量形式基础上，提出了矿物光电子是地表普遍存在的第三种能量形式。

这一发现也拓展了我们对自然界太阳能利用途径的新认识，同时，对研究光合作用系统的起源和人工光合作用提供了新的视角，对太阳系中类地行星表面无机矿物转化利用太阳能并改造行星表面环境也具有借鉴意义。