地球上最古老的熱液噴口發現早期生命跡象

前言：

我們的地球大約形成於46億年前，而早期生命(微生物)何時出現於這個星球一直是科學家十分關注的科學問題。以往的研究表明，在地球形成的短短10億年後，微生物就已經出現並逐步佔據了這個星球整整36億年。這篇文章的研究再一次把這一時間向前推進了1.7億年，也就是說，37.7億年前的海底熱液口就已經存在了生命活動。在漫長的歲月中，微生物與地球環境配合默契，構成了人類賴以生存的生物圈。直至今日，它們仍在一如既往地改造我們的生存空間，默默緩解著人類給地球帶來的壓力。因此，認識和保護它們也就是保護我們自己的家園。

標題：Evidence for early life in Earth』s oldest hydrothermal vent precipitates

期刊：Nature

年份：2017

第一作者：Matthew S. Dodd倫敦大學學院

通訊作者：Dominic Papineau倫敦大學學院

摘要：

雖然地球上的生命從何時何地開始尚不清楚，但研究普遍認為海底熱液噴口可能是最早的生命宜居環境之一。最近在加拿大魁北克距今有37.7-42.8億年歷史的Nuvvuagittuq綠岩帶的鐵質沉積岩中發現疑似微生物化石。化石結構以微米尺度的赤鐵礦管狀和絲狀呈現，其形態和礦物組合與現代深海熱液噴口附近堆積物中的絲狀微生物，以及一些年齡較小的岩石中的微化石類似。碳同位素顯示Nuvvuagittuq岩石中的碳酸鹽和含碳物質富輕碳同位素，其中的含碳物質主要是位於成岩碳酸鹽花環中的石墨包裹體，另外磷灰石穿插生長在碳酸鹽花環和磁鐵礦-赤鐵礦顆粒中，與微化石直接接觸。總的來說，這些觀察結果說明生物質是氧化態的，也為37.7億年前海底熱液環境中存在生命活動提供了證據。

背景：

由於岩石經過強烈的變質作用，目前全球已經確認的微生物化石沒有超過35億年的。因此，對於更古老的岩石的研究主要集中在化學痕迹上，多依靠同位素手段來測定含碳物質的同位素組成，但對於富輕碳同位素的還原性碳的起源的還存在爭議。一種認為是生物成因，比如在格陵蘭西南部約37億年的Isua地錶帶中的片岩含有8.8%的13C虧損的石墨碳，這種虧損歸因於生命活動；然而，化學反應如非生物脫碳反應和費-托合成可以產生具有相似碳同位素組成的還原碳，所以非生物學解釋也是可能的。在格陵蘭西南部約38.3億年的Akilia地錶帶鐵建造中，由於磷灰石外層包裹的石墨晶體內存在指示生物相關的重要元素，所以被認為是生物質經過變質作用的產物；然而，也有人提出了Akilia鐵建造中的部分石墨是變質流體沉積形成的。在Nuvvuagittuq地錶帶（NSB），也發現了覆蓋在磷灰石上的結晶程度低的流體沉積石墨，說明在流體活化運移和高級變質作用過程中形成了非生物成因的磷灰石- 石墨。

本次發現微生物化石的Nuvvuagittuq地錶帶是地球上原始基性洋殼的碎片。Nuvvuagittuq地錶帶主要由枕狀變質玄武岩和一系列的化學沉積單元構成，包括鐵建造和少量碧玉岩（含有赤鐵礦和磁鐵礦的石英岩）以及含碳酸鹽的鐵建造。鋯石U-Pb測年顯示Nuvvuagittuq地錶帶的侵入岩的年齡為37.74億年-37.51億年，被認為是該地錶帶的最小年齡，而146Sm-142Nd測年顯示變質玄武岩年齡為42.8億年。Nuvvuagittuq地錶帶擁有地球上已知的最古老的鐵建造之一。鐵建造具有海水化學特徵並且含有重鐵同位素組成，與火山噴發的熱液流體中沉澱的鐵建造具有相似的鐵同位素組成。 NSB碧玉岩和碳酸鹽鐵建造的全岩稀土元素數據，尤其是Eu正異常，表明形成與海底熱液活動有關，同時岩石中保存良好的20-3000μm黃銅礦晶體（Extended Data Fig.3a）表明沒有經過沉積後氧化作用。

以下內容是對岩石中的特殊結構和礦物成分做的詳細介紹：

1.赤鐵礦管狀和絲狀結構

現代熱液沉積物中含有能形成獨特的管狀和絲狀結構的Fe氧化細菌，因此將在古代的碧玉岩中發現的形態上類似的管狀和絲狀看作是在高溫和高壓中保存下來的生物印記，碧玉岩中豐富的微晶石英可能提供了有力的保護，這樣變形和變質作用就不會消除由赤鐵礦形成的沉積和成岩結構。NSB碧玉岩中的赤鐵礦細絲直徑在2-14μm之間，長度可達500μm，表現形式多樣，如分散線圈，分叉狀，以赤鐵礦為中心的輻射狀。NSB細絲（圖1a-d）的形態和成分類似於顯生宙海底熱液成因的碧玉岩中常見的細絲，如來自挪威L?kken（參見補充信息;大約4.8億年;圖1b ）和美國加利福尼亞FranciscanComplex（約1.85億年）中的細絲。 同時，NSB細絲也類似於在現代低溫熱液噴口中發現的鐵氧化細菌絲狀體。由於現有的單個的或是組合的非生物機制都不能解釋為什麼會形成以單個赤鐵礦為生長點，以不同角度向四周輻射的赤鐵礦管以及不同形態的絲狀體，而且空間上與碳酸鹽和石墨碳緊密接觸，所以有理由相信NSB帶中的疑似微生物化石是生物成因的。在NSB碧玉岩內的赤鐵礦管和細絲很可能是細菌外鞘和胞外絲狀體的礦化遺迹。絲狀體在脫離細胞後，可能被羥基氧化鐵或二氧化硅包裹，隨後在熱液噴口的反覆噴發循環中不斷的被二氧化硅和羥基氧化鐵交替塗覆，產生比初始結構更厚的絲狀結構。剩餘的來自細胞殘體的含碳物質形式被保存在碳酸鹽中，與絲狀體相連接。

圖一 赤鐵礦的絲狀結構

圖二 赤鐵礦的管狀結構

2.碳酸鹽環，磷灰石和含碳物質

如果鐵建造的形成有生物過程參與，那麼其中含碳物質的缺失可能是由於光合鐵還原微生物將三價鐵與細胞分離從而使絕大部分的含碳物質沒有參與到沉積過程中。如果含碳物質進入到沉積物中，就會發生以下反應而被氧化：

CH3COOH+8Fe (OH)3+2H2O 8Fe2++2HCO3-+22OH-+8H+

這一反應的結果是含碳物質被氧化成碳酸鹽，並將不溶性三價鐵還原成可溶性亞鐵，然後沉澱出含鐵的碳酸鹽，含亞鐵的硅酸鹽和磁鐵礦。澳大利亞西部24.7億年前的Brockman鐵建造就是個很好的例子，在岩石中發現碳酸鹽菱面體出現在浸染狀含碳物質與碳酸鹽花環混合層中。在NSB鐵建造中也發現了類似的花環結構（圖3）。不管是NSB和古代的碧玉岩，還是現代的熱液噴口沉澱物，通常都保存著赤鐵礦環。在Lau盆地形成的現代水鐵礦環與微生物細絲密切相關，但也可能是非生物沉澱的結果。例如在L?kken碧玉岩中，赤鐵礦環就是非生物成因的。這種結構可能需要微量化學Eh-pH梯度首先還原三價鐵，接著是二甲鐵的遷移和氧化以及重新沉澱為赤鐵礦。鑒於在現代熱液排放沉澱物中，赤鐵礦環與微生物細絲的緊密相連，所以赤鐵礦環很可能是微生物含碳物質作為還原劑，水鐵礦作為氧化劑形成的。

在NSB中富含碳酸鹽的鐵建造（圖3）中，含鐵方解石的亞球狀環（補充表8）具有直徑約為50-200μm的石英核。某些碳酸鹽環含有磷灰石包裹體，而且被數百微米長的磷灰石板條切割（圖3g），而針狀硬綠泥石又切割了碳酸鹽環和磷灰石（圖3），說明磷灰石和花環是變質前的產物。在鐵建造中富輕碳同位素的碳酸鹽（-15至 - 5‰）來源於生命活動產生的輕碳物質的氧化。NSB碧玉岩的δ13Ccarb和δ13Corg值分別為 - 8.3～- 6.7‰和 - 25.7～- 19.7‰，極有可能是生物成因的。在NSB帶中，穿插生長在含有石墨包裹體的碳酸鹽中的磷石灰板條中的磷元素可以指示石墨中的碳是生物來源的。在現代海洋沉積物中，海底含碳物質的累積可能通過生物代謝而濃縮磷。此外，一些NSB碳酸鹽花環中磷灰石的存在類似於晚古元古代繁盛的微生物的生態系統產生的疊層石磷灰石柱之間的磷灰石花環。雖然類似於碳酸鹽環的結構可能在開放空間和空腔中形成，但是形成這些碳酸鹽鐵建造的前體條帶狀硅質碳酸鹽凝膠不可能有多孔結構，因此通過開放空間填充形成碳酸鹽花環這一點可以排除。比如在L?kken碧玉岩（Extended Data Fig。6j-m）中，形態上類似的，已成岩的含石墨的碳酸鹽環的存在就加強證實了這一結論。將所有觀察到的結果綜合到一起，比如絲狀微化石的發現，及其與碳酸鹽和石墨碳的直接關聯，以及其他諸多支持NSB中生物活性的觀察結果，很好地支持了碳酸鹽環由生物質的氧化形成這一解釋。

圖三 NSB中的碳酸鹽環

3.顆粒

磁鐵礦鑲邊顆粒在古元古代晚期的鐵建造中很常見，通常出現在疊層石柱和微化石主體之間。 已知的最老的粒狀鐵建造來自南非Mozaan群，年齡約為29億年，其特點是含有磁鐵礦鑲邊顆粒，富輕碳同位素，從零到正的δ56Fe值，這些都表明有鐵氧化微生物參與。與碳酸鹽鐵建造和含有微化石的條帶狀碧玉岩一起出露地表的碧玉岩中有類似的100-500μm大小的球形、亞球形顆粒出現。這些顆粒出現在燧石基質中（圖4C），，邊緣包裹粗粒磁鐵礦，顆粒內部是比基質粒度粗的石英顆粒。微拉曼圖像顯示這些顆粒包含微米尺寸的鐵滑石，磁鐵礦，方解石，赤鐵礦，磷灰石和含碳物質（圖4d）。顆粒內含碳物質的包裹體尺寸為1-4μm，在約1,560-1,580cm-1處顯示出主要的拉曼峰和較寬較弱的可分辨D-峰（圖4e）。在與古元古代晚期的Biwabik鐵建造（圖4a）和L?kken碧玉岩中也發現了粒度（200-400μm）和礦物組合相似的顆粒。所有這些碧玉岩顆粒中的含碳物質通常與微米尺寸的成岩碳酸鹽顆粒相接觸或者塗覆在其表面。這種密切的空間關聯和成岩顆粒中富集的含碳物質的出現表明這種含碳物質是一個基本礦物相。

該研究團隊認為這些碧玉的氧化鐵顆粒的礦物成分反映了氧化還原反應。該模型暗示含碳物質和三價鐵是原始反應物，而含三價鐵或亞鐵的硅酸鹽，磷灰石，磁鐵礦和碳酸鹽被認為是反應產物。鑒於在Biwabik，L?kken和NSB碧玉岩中普遍存在花環、顆粒和絲狀微化石的形態，礦物學特徵和成分類似，推測這些成岩反應發生過程也類似。這一結論和的一些顆粒物中完好保存的微化石的發現表明Nuvvuagittuq海底此類岩石的微生物成因。

圖四 顆粒

結論：

NSB中由生物質氧化形成的成岩花環和顆粒中保存的含碳物質和礦物，以及無論是礦物學還是形態學上都與年輕碧玉岩中類似的管狀微化石的存在，揭示了早在37.7億年-42.8億年前生命在海底熱液噴口附近已經建立了棲息地。根據化學和形態學證據，管狀和絲狀極有可能是鐵代謝絲狀細菌的遺迹，因此代表了地球上已知的最古老的生命形式。鑒於來自NSB的新證據，古代的海底熱液噴口系統可以被視為地球上生命起源的潛在地點，以及尋求外星生命的主要研究對象。

參考文獻：

Dodd M S, Papineau D, Grenne T, et al. Evidence for early life in Earth』s oldest hydrothermal vent precipitates[J]. Nature, 2017, 543(7643): 60-64.

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