近日，北京大學與中國科學院水生生物研究所聯合團隊在《國家科學評論》（National Science Review）發表研究論文，首次揭示了深海熱液噴口硫化物礦物可通過非線性光學倍頻效應，將熱紅外輻射有效轉換為可見光，為深海藍細菌的產氧光合作用提供關鍵能量來源（圖1）。這一發現突破了光合作用僅依賴太陽光的傳統認知，開啟了探索海底黑暗生態系統中產氧光合作用研究的序幕。

圖1 地熱紅外光通過礦物SHG效應轉化為可見光，支持深海藍細菌產氧光合作用示意圖

光是生命活動的能量之源，地球生命依賴太陽光生存和繁衍。傳統觀點認為，光合作用僅限于陽光可及的地表及海洋透光層，而在陽光無法抵達的深海不可能發生光合作用，其生態系統應完全依賴化能自養微生物維持。然而，近年來的深海探測發現，某些熱液噴口附近存在異常的藍綠光輻射，其強度遠超黑體輻射的理論上限。這一現象挑戰了現有認知，成為深海科學的未解之謎。

研究團隊通過對全球163個海底熱液噴口樣本（涵蓋活躍噴口、休眠噴口、淺水噴口、氧化過渡帶等多種類型）宏基因組學測序結果進行分析，發現部分遠在透光層深度之下的海底高溫熱液噴口樣本含有完整的藍細菌產氧光合功能基因簇（包括光系統I、光系統II、細胞色素b6f復合體、電子傳遞鏈及藻膽蛋白等可見光捕獲系統）（圖2）。通過與大洋遠離熱液噴口的深層水體宏基因組數據對比分析，排除了海洋上層微生物沉降作用干擾與遠紅光利用的可能性，指示了深海高溫熱液噴口生態位中存在藍細菌可利用的、持續的可見光源。

圖2 全球海底熱液系統中宏基因組樣本分析結果

(a) 光合系統相關的功能基因示意圖；(b) 四種海洋環境中光合功能基因的完整度。

事實上，高溫熱液流體主要輻射的是人眼不可見的紅外光，基于黑體輻射定律計算，其在可見光波段的光子通量極低。研究團隊通過系統研究礦物光學特性發現，海底熱液噴口廣泛分布的金屬硫化物礦物具有獨特的非線性光學性質：能夠通過二次諧波效應（SHG）將兩個頻率為 ω 的低能量紅外光子轉化為一個頻率為2 ω*、*能量是初始光子兩倍的可見光光子（圖3a）。實驗顯示，在熱液噴口特征紅外波段（波長800-1500 nm）激發下，黃銅礦表現出顯著的倍頻上轉換效應，即發射光譜的波長正好是激發波長的一半，其發射峰值波長位于471 nm附近（圖3b）。在模擬深海高壓條件下，黃銅礦的紅外—可見光倍頻轉換效率隨靜水壓力的增加而進一步增強，使400–700 nm波段的可見光光子通量較黑體輻射理論值提高近三個數量級，完美解釋了海底高溫熱液噴口探測到的異常藍綠光現象。

圖3 熱液硫化物礦物產生可見光機制并激發藍細菌的熒光響應光譜

(a)深海熱液硫化物礦物SHG示意圖；(b)800-1500 nm激發下硫化物礦物的發射光譜；(c) 黃銅礦SHG激發藍細菌Synechococcus sp. PCC 7002的熒光響應光譜，插圖為紅外光激發實驗示意；(d) 藍細菌熒光信號分峰擬合結果。

進一步研究證實，黃銅礦通過SHG效應將1064 nm紅外光上轉換為532 nm可見光后，可被模式藍細菌（Synechococcus sp. PCC 7002）的藻膽蛋白有效吸收，并依次傳遞至光系統II和光系統I，產生656 nm（藻膽蛋白）、685 nm（光系統II）和713 nm（光系統I）的特征熒光發射峰（圖3c&d）。結合全球深海熱液噴口宏基因組結果分析中的陽性位點，發現只有富含黃銅礦的高溫熱液噴口存在完整的產氧光合功能基因簇（圖2）。研究結果從細胞水平和宏觀生態尺度，證實了熱液礦物黃銅礦介導的光子上轉換機制能夠為藍細菌產氧光合作用提供可直接利用的可見光能量來源。

在熱液系統產出的其它硫化物礦物中，也同樣觀測到顯著的光子能量倍頻上轉換現象，其發射波長覆蓋了整個可見光譜范圍。這些重要發現揭示了一種獨特的礦物介導紅外—可見光光子轉化機制，該機制能夠在深海熱液噴口環境產生具有生物學意義的可見光，可能支持了深海產氧光合微生物的潛在生存。

這項多學科交叉研究成果，創新性地將礦物光學特性與生物光合作用緊密結合，突破了產氧光合作用的空間限制，為探索極端環境中藍細菌的適應機制和生態功能打開了新的窗口，也為深入理解并評估深海初級生產力的形成途徑及貢獻水平奠定了重要的理論與技術基礎。

來源: 《中國科學》雜志社