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科學家長久以來致力解釋地球早期歷史中的一個關鍵謎團：產氧光合作用在出現後數億年，大氣中的氧氣濃度才於「大氧化事件」期間開始顯著上升。這種延遲普遍被認為與生命所需的關鍵營養元素——磷的供應受限有關；然而，在太古宙（約32億至25億年前）富含鐵的海洋中，具體是何種機制影響了磷的生物可利用性，至今仍未完全明朗。

近日，由香港大學（港大）地球及行星科學系莫秀琼基金教授趙國春領導的研究團隊，聯同同系榮休教授孫敏及論文第一作者、博士後研究員崔幸，為此延遲現象提出了新的解釋。該研究與中國科學技術大學郝記華教授團隊合作，首次系統性地揭示，早期地球鐵質海洋中常見的層狀矽酸鹽礦物，可透過一種「二價鐵橋接效應」，有效吸附並移除海水中的溶解磷酸鹽，從而可能限制了早期生命的營養供應，推遲了大氣氧氣的積累。

研究團隊結合實驗與模擬分析，發現包括高嶺石、蒙脫石、綠脫石和利蛇紋石等在內的層狀矽酸鹽礦物，在富含二價鐵離子（Fe²⁺）的早期地球海洋中，其表面能顯著吸附磷酸鹽。此過程依賴Fe²⁺在礦物表面與磷酸鹽之間形成化學橋接；當礦物顆粒沉降並埋藏於沉積物中，磷元素也隨之從海水中被移除，導致其生物可利用性大幅降低。這項發現為早期地球處於「磷限制」狀態提供了關鍵的化學機制依據，有助解釋當時海洋生產力受限、以及大氣氧含量上升延遲的現象。研究成果已發表在《自然·通訊》（Nature Communications）。

磷與早期地球之謎

磷是生命必需元素，也是細胞膜和核酸的重要組成部分。在許多海洋環境中，磷供應受限會影響初級生產力，即生物透過光合作用將無機物轉化為有機物的能力。因此，釐清磷的循環和生物可利用性，有助理解生物圈和地球圈的協同演化。

雖然礦物與溶解磷酸鹽之間的相互作用，在現代磷循環中扮演着關鍵角色，但在太古宙的早期地球，其大氣和海洋化學條件與今截然不同，這些相互作用如何運作，至今仍不清楚。

在早期地球缺氧且偏酸性的風化環境中，三價鐵氧化物的形成有限，因而削弱其作為「磷載體」的功能。近年來，研究焦點逐漸轉向黏土礦物——一種層狀矽酸鹽礦物。這類礦物具有較強的磷吸附能力，可能成為早期海洋中固定磷的替代機制。

「早期地球的海洋中含有較高濃度的溶解態Fe(II)和二氧化矽(SiO₂)，且幾乎不含硫酸鹽，其表面環境與今天截然不同。」論文第一作者崔幸博士解釋道。高濃度的二氧化矽可能與磷酸鹽爭奪礦物表面的吸附位點，而氧氣的稀缺和低硫酸鹽條件，則有助於鐵維持二價狀態。「這些獨特的水化學條件如何影響黏土礦物對磷的吸附和遷移，是理解早期生命演化受環境限制的重要線索之一。」崔博士說。

研究團隊模擬太古宙河流與海洋的水化學條件，並系統地研究磷酸鹽在常見層狀矽酸鹽礦物表面的吸附行為。結果表明，即使在低至中等濃度的Fe(II)（20μM至0.1mM）條件下，磷酸鹽在層狀矽酸鹽表面的吸附顯著增強，其效應遠強於其他二價陽離子（如Ca²⁺、Mg²⁺）。儘管早期海洋中高濃度溶解態二氧化矽會部分抑制了磷酸鹽的吸附，但Fe(II)的增強作用仍然佔據主導地位。

「通過分子模擬，我們進一步揭示了其背後機制。」崔幸博士說。「Fe(II)可以在礦物表面和磷酸根離子之間形成穩定的橋接複合物，大幅地提高了吸附效率。這種『Fe(II)橋接效應』可能在早期富含鐵水體中普遍存在。」

磷與生命  環境的共同演化

通過將實驗結果與模型相結合，研究團隊重建了早期地球磷循環的新圖景。在中晚太古宙（約32億至25億年前），隨着大陸的出現和風化作用加劇，河流將大量陸源碎屑黏土礦物輸送到海洋。在富鐵河流中，這些黏土可通過Fe(II)橋接效應吸附磷，並迅速被埋藏在沿海沉積物中，形成高效的磷「匯」，將其從海水中移除。

與此同時，持續的海底風化雖可為海洋補充營養元素，但在鎂鐵質及超鎂鐵質地殼的海底風化過程中，新形成的層狀矽酸鹽礦物，如利蛇紋石和綠脫石，同樣可以在Fe(II)的輔助下高效吸附溶解態磷酸鹽，並隨沉積作用迅速被埋藏，從而使早期海洋中生物可利用的磷維持在較低水平。

共同通訊作者郝記華教授指出：「我們以蒙特卡羅模擬估計，在晚太古宙，僅由層狀矽酸鹽吸附所造成的磷埋藏通量，就可能與當時河流輸入海洋的總活性磷通量相當。」這意味着，河流輸入的磷幾乎可被同步移除，難以在海洋中累積。「換言之，層狀矽酸鹽吸附作用構成早期地球磷循環中的主要流失途徑。」

這種長期的磷受限，可能抑制了海洋生物生產力的增長，因而導致大氧化事件延遲至產氧光合作用出現數億年後才發生。

這項工作將礦物表面化學、水體地球化學和生物地球化學循環緊密連結，揭示在還原性且富含鐵的水體環境中，黏土礦物可能普遍扮演着營養「調節者」。論文通訊作者趙國春教授表示：「它不僅加深了我們對早期地球環境與生物共同演化的理解，也為研究其他天體（如早期火星）的營養循環和潛在宜居性提供了類比框架。」

閱讀詳細論文，可參閱以下網址：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69293-4
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