CREST | 朱永官院士团队：地球上能量利用方式扩展了生命与有机物共进化

导 读

中国科学院生态环境研究中心朱永官院士团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“地球上能量利用方式扩展了生命与有机物共进化（The co-evolution of life and organics on Earth: expansions of energy harnessing; 2021, 51(6): 603-625）”的综述。地球上有机质在多个领域发挥重要作用，有机质的起源与进化一直备受关注。土壤中有机质含量、多样性的变化与生命的进化相互耦合，调控了地球上土壤的形成和演化，而能量的利用方式是生物拓展进化和有机质含量及形态变化的驱动力。约46亿年前，地球形成早期环境中有机质非常稀少，主要是通过彗星和星际尘埃到达地球。伴随着生命的进化，地球上有机质含量逐渐增加。生命对化学能、光能、氧气和火等能量的利用支持和拓展了生命的进化，增加了生命的多样性和复杂性，同时伴随着有机质多样性和复杂性的增加，形成包括微生物源、植物源、火源和人为源（塑料等）为代表的多种有机碳。这反过来影响了土壤中碳循环，进而影响了地球的气候和生态系统。考虑到有机碳对大气氧含量、温室效应、地质构造及全球宜居性的关键作用，本文系统分析了地球有机质在地质时间尺度上的变化特征及对地球环境的影响。

图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

有机质是地质圈和生物圈共进化的支撑和纽带，有机物对生命进化起关键作用，反过来生命对有机质的产生和循环有重要影响。异养代谢理论认为地球生命起源于“organic soup”，生命形成早期，地球氧气含量极低，处于厌氧环境。生命利用化学能，因能量利用效率低限制了微生物的增长，地壳有机质的含量也比较低。约37亿年前地球进化出光合作用生物，生命对光能的利用提高了能量利用效率，生物多样性增加同时有机质的积累也显著提高，但土壤有机碳仍以微生物源为主（图2）。

图2地壳中有机炭含量变化及能量利用方式

约28亿年前蓝藻的出现，改变了地球历史，大气中氧含量逐渐增加。大约在20-23亿年前地球经历大氧化事件，逐步进化出真核生物，随后产生多细胞生命，进而进化出陆地生物。氧化的大气和海洋环境进化出更为复杂的生命，包括维管植物及掠食者等，这一进化显著增加了有机碳的埋藏，土壤有机碳含量进一步积累，同时有机质的复杂性也显著提高，产生了难降解的木质素和纤维素等有机质形式。植物的出现和大气中氧气含量的提高（>16%），为地球上火的大量出现成为可能，因氧气含量过高（>30%），当时火灾遍布全球，火灾影响了植物进化，同时提供了新的有机炭形式——火源炭。火源炭难降解，易储存，据推测目前占总有机碳的比例达到2%~60%。人类对于火的利用，制造出多种自然界没有的有机物，比如人造纤维和塑料，进一步增加了自然界中有机质的复杂性。同时人类对化石能源的使用，提高了大气中二氧化碳含量，造成温室效应，对全球气候变化和生态系统产生深远影响。

总结与展望

大气中氧气和二氧化碳的含量主要是通过有机质的风化、埋藏及深层有机质的热解来调控。有机质风化和热解将有机炭氧化为二氧化碳，消耗氧气；因净光合作用大于呼吸作用，有机质的埋藏减少大气中二氧化碳的含量，增加氧气含量。当前化石燃料的使用造成每年大气中氧含量减少2 ppm。大气中氧气和二氧化碳的含量变化影响全球气温和降水。地球有机质多样性和复杂性变化所起的重要作用需全面评估。另外，根据其他类地星球（如火星）上土壤/岩石中有机质复杂程度，可以判断其发展阶段。例如，如果类地星球土壤中有机质含量复杂，说明其已经历生命进化初级阶段，出现过复杂的生命体系。

作者简介

第一作者简介：

孙国新，博士，研究员，中国科学院生态环境研究中心土壤环境科学与技术研究室工作，隶属于中国科学院朱永官院士团队。主要从事植物、微生物介导的元素生物地球化学及在土壤中分布的驱动因素研究，包括土壤重金属污染修复；元素生物地球化学循环；微生物对重金属的生物转化及生物挥发等方向。2012年获得分析测试协会科学技术进步奖（CAIA）二等奖。主持和参与多项国家科研项目，包括国家重点研发项目、国家自然科学基金、863项目和国际合作项目。目前担任Exposure and Health刊物的副主编。先后在环境领域国际顶级刊物发表SCI文章100多篇。

通讯作者简介：

朱永官，中国科学院院士，发展中国家科学院（TWAS）院士，博士，博士生导师，中国科学院城市环境研究所/生态环境研究中心研究员，国家“万人计划”领军人才和“国家杰出青年基金”获得者，中国科学院大学现代农业科学学院院长。长期从事环境土壤学与生物地球化学研究，土壤-植物-微生物相互作用，环境微生物生态学和多尺度生物地球化学耦合机制等领域。2009年以第一完成人身份获得国家自然科学二等奖；2013年获得发展中国家科学院（TWAS）农业科学奖；2014年入选国家“万人计划”科技创新领军人才。已获得国家发明或实用新型专利授权11项，专著1本，在Nature、Science、PNAS、Nature 子刊，ES&T等国际主流刊物上发表文章300多篇，ESI高被引论文21篇，文章被引用41000多次，2016-2021年连续六年被科睿唯安评为高被引科学家。

|供稿：朱永官院士团队

|编排：曾镜羽

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