1828年，Wöhler合成尿素打破了“生命力”学说，开启了有机化学合成的新纪元；自十九世纪以来，碳质球粒陨石中陆续发现地外有机物；1953年Miller–Urey实验在模拟早期地球环境中合成了氨基酸，奠定了前生命化学的基础；1969年Murchison陨石中更检测到与生命过程相关的小分子，进一步揭示了地外有机物与生命起源的潜在关联。这些跨越两个世纪的研究揭示出有机分子可以在非生物环境中形成并在宇宙中广泛存在，为从化学演化角度理解生命起源奠定了重要基础。然而，这些地外有机物组成极端复杂、分布高度不均，它们如何在小行星母体中形成、演化并保存至今，仍是关键科学难题。为此，本研究提出“前生命组学（Prebiomics）”新框架（图1），融合组学的高通量、系统化研究策略，旨在从分子组成、空间分布与演化路径多个维度，揭示地外有机物在前生命环境中的动态历程。
图1 前生命组学（Prebiomics）：将组学的研究范式应用于前生命化学研究。随着天文观测和地外样品分析发现越来越多样和复杂的地外有机分子，我们提出，利用基于高通量测试和数据驱动的组学方法，能更全面地揭示地外有机物的种类、含量和分布，从而为理解它们的形成、演化，以及对生命起源的贡献，提供全新的认识。
导 读
陨石与小行星样品是太阳系早期的化学档案，封存了大量可能参与生命起源的有机分子。 这些分子经历了从星际介质到小行星母体的复杂历程，其间水岩反应（水蚀变）会共同改造矿物与有机分子网络。基于前生命组学方法，本研究结合~10 μm分辨率质谱成像与液相色谱质谱高通量分析，直接揭示陨石中的水蚀变如何在矿物微米尺度调控有机分子的组成与分布，以及如何在母体尺度塑造其分子特征与丰度，从而为理解地外有机演化提供了可检验的证据链。
图2 图文摘要
传统前生命化学研究常聚焦于少数代表性分子（如氨基酸、核碱基）来探讨其来源与形成机制。然而，在陨石与小行星样品中，与前生命过程具有潜在关联的可溶性有机质往往由上万种化合物共同构成，呈现出类似生命代谢组的规模与复杂度，使得以单一分子为中心的研究路径难以获得具有统计代表性的形成与演化认知。而前生命组学的基本思路是：将地外有机体系视为一个可被系统测量与统计解析的网络，通过高通量分析平台获取尽可能完整的分子图谱，并借助多变量统计提取可比较、可解释的演化规律。该框架的目标不仅是检测出多少种地外有机物，更是要系统回答这些有机物如何形成与演化。
为此，本研究选取了9块类型不同、水蚀变程度各异的陨石，涵盖从普通球粒陨石到碳质球粒陨石，以及从弱到强的水蚀变序列。采用两条互补的技术路线：（1）解吸电喷雾电离—高分辨质谱成像（DESI-HRMS imaging），在陨石样本上以10 µm的空间分辨率进行扫描，实现微米尺度下可溶性有机质的空间分布可视化，从而探讨有机分子与无机矿物的协同演化关系（图3）；（2）超高效液相色谱—高分辨质谱（UHPLC-HRMS），对甲醇提取物进行分析，通过液相色谱对复杂可溶性有机质的分离降低离子抑制效应，并提升跨样品定量可比性。在九块陨石中共检出约3000种可溶性有机质组分，并进行了组学式的统计分析。这两条路线分别从矿物/微结构尺度研究可溶性有机质的空间分布，以及从样品/母体尺度比较其的组成差异。
图3 碳质球粒陨石中可溶性有机质的空间分布
DESI质谱成像结果显示（图3），可溶性有机质在陨石中并非均匀分布，而是优先赋存于水蚀变形成的层状硅酸盐中。在含有球粒的CM型陨石中，有机质还会在球粒外围的细粒边缘明显富集。相比之下，同为水蚀变产物的碳酸盐相则整体表现出较低的有机质含量（图4），仅少数特定离子在碳酸盐中呈选择性富集。这些结果表明：矿物的晶体结构、表面活性位点、孔隙度与微观构造共同决定了可溶性有机质的吸附、截留与保存效率，意味着水蚀变不仅生成次生矿物，也在主动塑造有机分子。
图4 Murchison陨石中不同矿物相和结构间可溶性有机质组成差异
UHPLC-HRMS分析进一步揭示（图5），在CM2型陨石中，含氮、氧、硫杂原子的有机分子丰度与水蚀变程度呈正相关，说明水岩反应与有机分子的演化具有耦合性；但高度蚀变的CI1型陨石偏离了这一趋势，暗示可溶性有机质还受母体来源及所经历流体条件的影响。此外，来自外太阳系D型小行星的Tarda陨石，其有机分子极性明显较低，与主带C型小行星来源的陨石差异显著。这意味着地外有机分子的演化受到“初始源区（太阳系尺度）—流体条件（母体尺度）—矿物环境（微尺度）”跨尺度耦合机制的控制。
图5 不同陨石中可溶性有机质组成和相对含量
总结与展望
本研究基于前生命组学框架，结合质谱成像与色谱质谱联用技术，从小行星母体尺度到矿物微米尺度，系统揭示了水蚀变过程对地外有机分子组成、分布与演化的多级控制机制，为理解有机 – 矿物 – 流体协同演化提供了关键证据。未来，前生命组学需着力突破当前方法瓶颈，包括提升基于二级质谱的结构注释能力、扩展谱库覆盖、实现分析流程的透明与可重复、加强稀缺样品污染控制、并推动数据开放共享。在此基础上，进一步结合小行星返回样品（如天问二号）与实验模拟，将能更系统地解析地外有机物的形成与演化历史。
责任编辑
周思齐 北京航空航天大学
南景博 中国科学院南京地质古生物研究所