太阳给地表贴了层“膜”，让光照变成电流

自然界的矿物也在发生“光合作用”。这听起来不可思议，因为在寻常的认知中，只有生物才能进行光合作用。

北京大学地球与空间科学学院鲁安怀团队日前发表于《美国科学院院刊》的研究揭示，自然界无机矿物可转化成太阳能系统，地表矿物也有光合作用。

矿物属于无机物，如何发生光合作用呢？实际上，已有研究表明，植物把水变成氧气这一过程中，锰簇化合物即锰的氧化物（无机物）起着关键作用。也就是说，无机物与光合作用有着莫大关联，甚至可以说是生物光合作用的起源。

鲁安怀团队对中国北方戈壁、沙漠以及南方喀斯特和红壤等典型地貌中岩石/土壤样品进行了深入系统观测分析，发现直接暴露在太阳光下的岩石/土壤颗粒体表面普遍覆盖着一层铁锰氧化物——“矿物膜”，其结构构造与化学成分显着区别于被包覆的岩石或土壤。

他们发现，这些铁锰氧化物半导体“矿物膜”能吸收太阳光并将其转化成光电子。尽管理论分析显示，“矿物膜”中的锰氧化物矿物在吸收光能之后具备催化氧化水产生氧气的潜力，而且能“固定”大气中二氧化碳，但目前尚未证实“矿物膜”能否释放氧气。

地表“矿物膜”与太阳光关系密切，说它是“太阳晒出来的”产物一点都不足为奇。通常，日照越强，“矿物膜”发育状况越好，就越“黑亮”，其中锰含量越高，而且富含促进其光催化功能的稀土元素铈（Ce）。富锰矿物仅在日光照射下的红壤矿物颗粒、喀斯特和戈壁岩石正面“矿物膜”中出现，最常见的是半导体性能优良的层状结构水钠锰矿，而无光照的岩石背面则不富集水钠锰矿。

在全球陆地系统中，深色富锰“矿物膜”的分布恰与太阳光的强辐射区域相吻合。铁锰氧化物“矿物膜”不仅存在于陆地地表，还存在于海洋透光层中。可以认为地表“矿物膜”是地球上分布最广的天然“太阳能薄膜”，从功能上“矿物膜”相当于继地核、地幔和地壳之后的地球第四大圈层，构成了地球“新圈层”。鲁安怀表示，进一步揭示地球“新圈层”功能有助于理解地球物质演化、生命起源进化与环境演变的宏观过程。

“矿物膜”具有较好的日光响应性能，用它制作的电极在可见光照射下能产生明显的光电流，而光电流的产生主要与铁锰氧化物有关。据文章公布的数据，以全球日光平均辐照强度计算，一平方米沙漠岩石漆平均每秒可释放22.3万亿由光诱导的电子。“这些光电子可能是某些细菌细胞外能量的重要来源。”鲁安怀说，鉴于地表“矿物膜”所覆盖的陆地面积如此之大，它们所产生的“光合作用”不可忽视。

专家表示，在自然界中，不同半导体矿物的光电子具有不同的能量，可对地表元素化合态及其地球化学循环路径乃至微生物胞外电子传递产生普遍的影响。鲁安怀称，接下来他将和团队进一步研究，以揭示更多有关地表“矿物膜”的秘密。