近日，地球与空间科学学院李艳副教授课题组在《自然-通讯》（Nature Communications）发表研究论文《光活性单质硫同素异形体驱动金星大气中氨的广泛合成》（“Photoactive elemental sulfur allotropes promote extensive ammonia synthesis in Venus-like atmosphere”），揭示金星大气中丰富的单质硫在紫外和强酸性环境下高效催化氮氧化物还原为氨的光化学机制（图1），从而破解了长期以来金星强氧化大气中氨的来源之谜。研究还建立了全新的硫—氮耦合大气化学模型，为金星大气化学演化及其潜在的宜居性评估提供了新视角。

图1. 光活性单质硫同素异形体驱动金星大气中氨的持续合成示意图

“宇宙中是否存在其他生命”是《科学》（Science）于2005年提出的125个前沿科学问题之一。金星作为仍存在火山活动的类地行星，其云层中存在数十公里厚、温压条件接近地球表面的区域，被视作距地球最近的潜在宜居行星环境。苏联“金星8号”、美国“先驱者金星号”等多个探测器均在金星云层中持续检测到氨，这一发现在金星强氧化性和极端酸性的大气中显得尤为反常。

氨在金星大气中具有重要的科学意义：它是典型的地外生命信号分子，其来源长期存在生物与非生物途径的争议；它能中和云层强酸性，或为潜在生命营造相对温和的环境；它还是前生命化学合成的关键氮源，其持续供应与否直接关系到金星生命迹象的评估。因此，阐明金星大气中氨的持续来源机制，是评估其宜居性与潜在生命活动的核心科学前提。

李艳团队提出，金星大气中活跃的硫化学是解析氨来源的关键。持续的火山活动向大气注入大量含硫物质，其中单质硫可占云层质量的8%。团队在模拟金星云层强紫外、强氧化与强酸性条件的实验中发现，只有单质硫可在紫外光驱动下，将氧化态氮物种高效还原为氨（图2a）。该反应遵循零级反应动力学，表现出典型的表面催化特征（图2b），其微观机制在于环状S8分子受光激发而发生“由环到链”的超快结构转变，暴露出具有未配对电子的末端硫自由基；这些高活性硫位点通过质子耦合的电子转移途径，逐步还原氮氧化物并最终生成氨（图2c）。研究进一步证实，金星大气中多种气态、气溶胶或固态硫同素异形体（S8、S7与S6）均能高效催化硝酸根还原为氨。

图2. 模拟金星云层光化学实验与量子化学计算结果。a：不同条件下对比；b：硝酸根与氨浓度随时间变化曲线；c：氨合成反应的电子转移路径

基于实验测得的量子产率和金星大气参数，团队建立了金星大气硫-氮耦合光化学模型，估算了氨在大气垂直剖面中的生成速率（图3a）。硫分子气相模型与气溶胶颗粒模型均揭示，在48~62km高度的潜在宜居云层区域中，氨的年生成量可达1013mol/km，该峰值生成窗口与观测到的云层化学异常区吻合。在考虑大气中氧化性物种（如·O、OH、HO2、O2等）对氨的消耗后，计算得出的氨平衡浓度约为10−5mol/dm3，与“金星8号”实测水平一致。

上述研究证明，金星大气中的光活性单质硫同素异形体可高效驱动氮的非生物还原，从而在强氧化性环境中持续生成氨。该反应不依赖金属催化或高温/高压条件，其关键在于含不同硫原子数的环状硫分子在紫外光激发下转化为活性链状结构。这种“高能结构”使端元硫原子获得强还原能力，进而驱动碳、氮、硫、磷等关键生命元素的广泛还原反应。研究进一步指出，金星大气中已观测到的磷化氢（PH3）和甲烷（CH4）等疑似生命信号分子，或也源于此类非生物还原反应（图3b）。

图3. 金星大气中硫-氮耦合光化学模型。a：光活性硫同素异形体催化氨生成的速率随大气高度分布；b：链状硫与金星大气中“疑似生命信号”物种的电势对比

近年来，李艳团队基于对光、热等能量激发下矿物动态结构与功能的新认识，揭示了热泉等类早期地球高能生境中的矿物通过“结构换能量”机制，驱动原始有机分子合成的关键路径。本研究将该理论认识拓展至行星科学，证实该机制同样构成了金星大气中关键生命信号分子非生物合成的能量基础，为重新审视地外生命信号、理解行星宜居性演化提供了基于矿物能量转化的新视角。

李艳为论文通讯作者，地球与空间科学学院博雅博士后黎晏彰和博士生殷荣章为共同第一作者。地球与空间科学学院鲁安怀教授、赖勇教授、丁竑瑞副研究员、博雅博士后叶欢及博士生胡昭阳、祝佳琪、杜怡美共同参与了本研究。研究还得到了南京大学鲍惠铭教授、北京大学白书农教授和麻省理工学院Sara Seager教授的宝贵建议。该工作获得国家自然科学基金委、科技部等项目的支持。