研究表明：35億年前地球上的生命非常繁榮！

博科園：本文為地球科學類

35億年前地球上有生命，但它是勉強生存下來，還是非常繁榮？由包括東京理工大學地球生命科學研究所(ELSI)在內的多機構領導小組進行的一項新研究為這個問題提供了新答案。微生物新陳代謝被記錄在數十億年的硫同位素比值中，這與這項研究的預測一致，表明生命在古代海洋中繁榮昌盛。利用這些數據，科學家可以更深入地將地球化學記錄與細胞狀態和生態聯繫起來。科學家想知道地球上的生命存在了多久。如果它存在的時間幾乎和地球一樣長，這表明生命很容易起源，因此應該在宇宙中普遍存在。如果它需要很長時間才能產生，這就意味著必須發生非常特殊的情況。恐龍的骨骼被陳列在世界各地的博物館裡，在此之前，微生物已經存在了數十億年。

博科園-科學科普：雖然微生物在古代地質記錄中留下了它們存在的一些物理證據，但它們並沒有很好地變成化石，因此科學家們使用其他方法來了解地質記錄中是否存在生命。目前，地球上微生物存在的最古老證據是以穩定同位素的形式出現。元素周期表上的化學元素是由原子核中的質子數決定。例如氫原子有一個質子，氦原子有兩個，碳原子有六個。除了質子外，大多數原子核還含有中子，中子的質量和質子差不多，但不帶電荷。含有相同數量的質子，但不同數量的中子的原子稱為同位素。雖然許多同位素具有放射性，因此會衰變成其他元素，但有些則不會發生這種反應，這些被稱為「穩定」同位素。例如碳的穩定同位素包括碳12(簡稱12C，有6個質子和6個中子)和碳13 (13C，有6個質子和7個中子)。

呼吸硫酸鹽的微生物細胞電子顯微鏡圖像。圖片：Guy Perkins和Mark Ellisman，國家顯微鏡和成像研究中心

所有的生物，包括人類，都「吃和排泄」。也就是說，它們吸收食物，排出廢物。微生物通常以環境提供的簡單化合物為食。例如一些人能夠吸收二氧化碳(CO2)作為碳源來建造自己的細胞。自然產生的二氧化碳在12 - 13攝氏度之間的比例相當穩定。然而，12二氧化碳比13二氧化碳輕2%，所以12二氧化碳分子擴散和反應稍微快一點，因此微生物本身就變成了「同位素光」，包含的12碳比13碳多，當它們死亡後，留在化石記錄中，它們穩定的同位素特徵仍然存在，並且是可測量的。這些過程的同位素組成，或「特徵」，對產生它們的微生物來說是非常特殊的。除了碳之外，還有其他生物必需的化學元素。

硫化物是由微生物在其能量代謝過程中使用硫酸鹽而形成，這些微生物可以在硫化鐵礦物中被捕獲數十億年，就像照片中的FeS2礦物硫鐵礦一樣。西姆和同事們的新研究表明，在控制這些礦物中硫同位素的最終混合物時，單個細胞酶的重要性，進而將生物化學、細胞生理學和地球上生命的記錄聯繫起來。圖片：Yuichiro Ueno, ELSI

例如，硫，有16個質子，有3種天然豐富的穩定同位素，32S(有16個中子)，33S(有17個中子)和34S(有18個中子)。微生物留下的硫同位素模式記錄了35億年前含硫化合物的生物代謝歷史。之前數百項研究已經考察了古代和現代硫同位素比率的廣泛變化，這些變化是由硫酸鹽(一種自然形成的硫化合物，與4個氧原子結合)的新陳代謝所導致。許多微生物能夠以硫酸鹽為燃料，在此過程中排出另一種硫化合物硫化物(圖1)。古微生物代謝過程中的硫化物「廢物」被儲存在地質記錄中，其同位素比值可以通過分析礦物如圖2所示的FeS2礦物黃鐵礦來測量。這項新研究揭示了微生物硫代謝的主要生物控制步驟，並闡明了哪些細胞狀態導致了哪些類型的硫同位素分餾。

Apr酶還原了APS分子的硫原子，導致了本文報道的動力學同位素分餾。圖片：ELSI

這使得科學家可以將新陳代謝與同位素聯繫起來：通過了解新陳代謝如何改變穩定的同位素比率，科學家可以預測生物應該留下的同位素特徵。這項研究提供了一些關於遠古生命新陳代謝的初步信息。微生物硫酸鹽代謝記錄在超過30億年的硫同位素比值中，這與這項研究的預測相一致，該預測表明古代海洋生命實際上是繁榮的。這項研究工作開闢了一個新的研究領域，ELSI副教授Shawn McGlynn稱之為「進化和同位素酶學」。利用這種類型的數據，科學家現在可以繼續研究其他元素，如碳和氮，並通過對酶進化和地球歷史的理解，更全面地將地球化學記錄與細胞狀態和生態聯繫起來。

博科園-科學科普｜研究/來自：東京工業大學

參考期刊文獻:《Nature Communications》

DOI: 10.1038/s41467-018-07878-4

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