近日，中国科学院南海海洋研究所张运迎研究员团队、广州海洋地质调查局深海钻探团队和加拿大阿尔伯塔大学稳定同位素地球化学团队联合在海底热液系统中非生物氮还原研究方面取得突破性进展，相关研究成果以“Abiotic N₂ reduction in submarine hydrothermal systems could quickly fertilize prebiotic oceans”为题发表于国际著名期刊Nature Communications。中国科学院南海海洋研究所博士后孙李恒为第一作者，研究员孙珍（现任职于广州海洋地质调查局）与阿尔伯塔大学教授李龙为共同通讯作者，合作者还包括阿尔伯塔大学博士李侃。

生命起源的关键火花被认为出现在海洋深处，由温暖且富含矿物质的热液喷口所催生。但科学家们长期困惑的是：在缺乏阳光的条件下，生命形成与维持所必需的“养料”，尤其是氨气（NH₃）/氨根（NH₄⁺）是如何得以存在的？根据实验室实验，科学家们提出，地球表面NH₃/NH₄⁺的持续补给，主要依赖于海底热液系统中高效的非生物氮还原作用。然而，该过程一直未能在地质记录中直接检测到。主要制约因素之一是浅部热液系统中由生物作用产生的NH₄⁺对深部信号的叠加改造。

深部高温热液脉体是捕捉非生物氮还原信号的理想载体，主要基于两方面原因：（1）深部热液流体受表生NH₄⁺影响最小，最有可能保留非生物氮还原产生的NH₄⁺信号；（2）深部热液流体中的NH₄⁺以替换K⁺和Na⁺的形式进入脉体矿物晶格，从而有效抵御后期低温流体的改造，长期保存其同位素信息。

研究团队基于国际大洋发现计划（IODP）在南海钻取的洋壳岩芯，对其中的热液脉体开展了系统的氮含量与同位素组成分析。研究发现，这些来自深部的热液脉体不仅含有异常丰富的NH₄⁺，其氮同位素组成更是呈现出极端亏损¹⁵N的特征，与已知的生物或海水来源截然不同。这些数据表明，深部热液流体中存在由非生物氮还原产生的大量¹⁵N亏损的NH₄⁺，并且在热液流体向上运移过程中逐渐被来自表层的¹⁵N富集的NH₄⁺叠加改造。

在此基础上，研究团队进一步利用模拟计算发现，非生物氮还原作用每年可向全球海洋输送高达9.0–10.8 × 10¹⁰ 摩尔的NH₄⁺。尽管这一通量对现代海洋巨大的氮库而言贡献有限，但它足以在前生命地球的海洋中快速补充“氮肥”，并向大气供应NH₃。这一过程为最早的生命化学反应和生物生态系统的建立奠定物质基础。

该研究不仅首次为海底热液系统中非生物氮还原过程提供了坚实的地质记录，也深化了我们对地球早期宜居环境形成和氮元素全球循环的理解。

研究得到了地质联合基金，国家自然科学基金，西太平洋地球系统多圈层相互作用重大研究计划、广东省人才团队项目，国家重点研发计划和加拿大自然科学与工程研究委员会探索基金的联合资助。

论文信息：Sun, L.H., Li, K.,Sun, Z*., Zhang, Y.Y., Li, L*., 2025 Abiotic N₂ reduction in submarine hydrothermal systems could quickly fertilize prebiotic oceans. Nature Communications 16, 10608.

文章链接： https://doi.org/10.1038/s41467-025-65711-1

图1 U1502B钻孔位置、岩性剖面、蚀变玄武岩和热液脉体N浓度、N/K和N/Na摩尔比值、δ¹⁵N值。

图2 氮同位素模拟

图3 洋中脊热液系统中深部流体非生物氮还原、海水与深部流体混合以及洋壳蚀变示意图