在深邃幽暗的深海世界，热液口却闪烁着超出黑体辐射预期的可见光，这一现象长期困扰科学界。传统认知中，深海热液系统缺乏可见光光子通量，难以支持依赖高光能的产氧光合作用，然而蓝藻等光合原核生物却被发现在此生存，其能量来源成谜。为解开这一谜题，北京大学、中国科学院水生生物研究所等国内研究机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《National Science Review》。
研究团队采用光谱测量、高压实验模拟、蓝藻荧光响应实验及宏基因组分析等关键技术。光谱测量使用超连续白光系统和钛蓝宝石泵浦激光，分析硫化物矿物的二次谐波产生（SHG）效应；高压实验通过金刚石压砧池（DAC）模拟深海高压环境；荧光实验利用 Witec 系统检测蓝藻对红外照射矿物的响应；宏基因组分析则整合全球热液口及深海区域的 142 套数据，解析光合作用相关基因分布。
硫化物矿物的二次谐波产生特性
对取自西南印度洋脊龙旗热液场的硫化物样品分析发现，黄铜矿（CuFeS₂）在 800-1500 nm 红外光激发下，于 420-540 nm 处呈现显著发射峰（~471 nm），其强度与激发功率呈二次方关系，证实为 SHG 效应。二维光致发光光谱显示，黄铜矿存在～2.63 eV 的能级差，与 SHG 发射峰吻合。高压实验表明，压力可增强 SHG 效率，在 400℃热液环境下，其产生的 400-550 nm 光子通量达 6.6×10⁶ photons・cm⁻²・s⁻¹・sr⁻¹，较黑体辐射高三个数量级。
蓝藻对矿物转换光的能量利用
当蓝藻 Synechococcus sp. PCC 7002 置于黄铜矿基板并以 1064 nm 红外光照射时，检测到 532 nm 的 SHG 信号及 656、685、713 nm 的荧光峰，分别对应藻胆体（PBS）对光能的吸收及向光系统 II（PSII）、光系统 I（PSI）的能量传递，表明黄铜矿转换的可见光可驱动蓝藻的产氧光合作用。
宏基因组揭示蓝藻与热液环境的相关性
对全球热液口的宏基因组分析显示，高温（>350℃）、富黄铜矿的热液口（C1 型）中，蓝藻的 psa、psb、apc 等光合作用相关基因完整性极高，且不含远红光适应基因（FaRLiP），暗示其依赖可见光而非红外光。相比之下，低温热液口（C2 型）及非热液深海区域（N 型）的光合基因显著缺失，进一步印证热液辐射与蓝藻生存的关联。
研究结论与意义
该研究揭示深海热液硫化物矿物通过非线性倍频上转换机制，将地热红外光转化为可持续的可见光，为蓝藻等光合生物提供能量来源。这一发现突破了传统对深海光合作用的认知，解释了蓝藻在极端环境中的生存策略，并为早期地球氧气演化及地外生命探索提供了新视角。例如，太古宙热液活动可能通过此机制支持蓝藻演化，进而推动大氧化事件（GOE）。此外，木卫二、土卫二等冰下海洋若存在热液系统，类似矿物光转换过程或为生命提供能量，为天体生物学研究开辟了新方向。研究首次将矿物光学特性与生物光合机制结合，建立了 “矿物 - 光 - 生命” 的耦合模型，为跨学科研究提供了范例。
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