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(xué)地球生命科學(xué)研究所(ELSI)在內(nèi)的多機構(gòu)領(lǐng)導(dǎo)小組進(jìn)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(shù)十億年的硫同位素比值中，這與這項研究的預(yù)測一致，表明生命在古代海洋中繁榮昌盛。

利用這些數(shù)據(jù)，科學(xué)家可以更深入地將地球化學(xué)記錄與細(xì)胞狀態(tài)和生態(tài)聯(lián)系起來?？茖W(xué)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(yīng)該在宇宙中普遍存在。如果它需要很長時間才能產(chǎn)生，這就意味著必須發(fā)生非常特殊的情況?？铸埖墓趋辣魂惲性谑澜绺鞯氐牟┪镳^里，在此之前，微生物已經(jīng)存在了數(shù)十億年。

博科園-科學(xué)科普：雖然微生物在古代地質(zhì)記錄中留下了它們存在的一些物理證據(jù)，但它們并沒有很好地變成化石，因此科學(xué)家們使用其他方法來了解地質(zhì)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(jù)是以穩(wěn)定同位素的形式出現(xiàn)。元素周期表上的化學(xué)元素是由原子核中的質(zhì)子數(shù)決定。例如氫原子有一個質(zhì)子，氦原子有兩個，碳原子有六個。除了質(zhì)子外，大多數(shù)原子核還含有中子，中子的質(zhì)量和質(zhì)子差不多，但不帶電荷。含有相同數(shù)量的質(zhì)子，但不同數(shù)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(fā)生這種反應(yīng)，這些被稱為“穩(wěn)定”同位素。例如碳的穩(wěn)定同位素包括碳12(簡稱12C，有6個質(zhì)子和6個中子)和碳13 (13C，有6個質(zhì)子和7個中子)。

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(huán)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(xì)胞。自然產(chǎn)生的二氧化碳在12 - 13攝氏度之間的比例相當(dāng)穩(wěn)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(yīng)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(dāng)它們死亡后，留在化石記錄中，它們穩(wěn)定的同位素特征仍然存在，并且是可測量的。這些過程的同位素組成，或“特征”，對產(chǎn)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(xué)元素。

例如，硫，有16個質(zhì)子，有3種天然豐富的穩(wěn)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(shù)百項研究已經(jīng)考察了古代和現(xiàn)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(jié)合)的新陳代謝所導(dǎo)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(zhì)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，并闡明了哪些細(xì)胞狀態(tài)導(dǎo)致了哪些類型的硫同位素分餾。

這使得科學(xué)家可以將新陳代謝與同位素聯(lián)系起來：通過了解新陳代謝如何改變穩(wěn)定的同位素比率，科學(xué)家可以預(yù)測生物應(yīng)該留下的同位素特征。這項研究提供了一些關(guān)于遠(yuǎn)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(yù)測相一致，該預(yù)測表明古代海洋生命實際上是繁榮的。這項研究工作開辟了一個新的研究領(lǐng)域，ELSI副教授Shawn McGlynn稱之為“進(jìn)化和同位素酶學(xué)”。利用這種類型的數(shù)據(jù)，科學(xué)家現(xiàn)在可以繼續(xù)研究其他元素，如碳和氮，并通過對酶進(jìn)化和地球歷史的理解，更全面地將地球化學(xué)記錄與細(xì)胞狀態(tài)和生態(tài)聯(lián)系起來。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自：東京工業(yè)大學(xué)

參考期刊文獻(xiàn):《Nature Communications》

DOI: 10.1038/s41467-018-07878-4

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