35億年前地球上有生命，但它是勉強(qiáng)生存下來(lái)，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(jī)構(gòu)領(lǐng)導(dǎo)小組進(jìn)行的一項(xiàng)新研究為這個(gè)問(wèn)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(xiàng)研究的預(yù)測(cè)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(lái)。科學(xué)家想知道地球上的生命存在了多久。如果它存在的時(shí)間幾乎和地球一樣長(zhǎng)，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(zhǎng)時(shí)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(méi)有很好地變成化石，因此科學(xué)家們使用其他方法來(lái)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(gè)質(zhì)子，氦原子有兩個(gè)，碳原子有六個(gè)。
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(huì)衰變成其他元素，但有些則不會(huì)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(jiǎn)稱12C，有6個(gè)質(zhì)子和6個(gè)中子)和碳13 (13C，有6個(gè)質(zhì)子和7個(gè)中子)。
呼吸硫酸鹽的微生物細(xì)胞電子顯微鏡圖像。圖片：Guy Perkins和Mark Ellisman，國(guó)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(shuō)，它們吸收食物，排出廢物。微生物通常以環(huán)境提供的簡(jiǎn)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(lái)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(kuò)散和反應(yīng)稍微快一點(diǎn)，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(cè)量的。這些過(guò)程的同位素組成，或“特征”，對(duì)產(chǎn)生它們的微生物來(lái)說(shuō)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。
硫化物是由微生物在其能量代謝過(guò)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(shù)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(shí)，單個(gè)細(xì)胞酶的重要性，進(jìn)而將生物化學(xué)、細(xì)胞生理學(xué)和地球上生命的記錄聯(lián)系起來(lái)。圖片：Yuichiro Ueno, ELSI
例如，硫，有16個(gè)質(zhì)子，有3種天然豐富的穩(wěn)定同位素，32S(有16個(gè)中子)，33S(有17個(gè)中子)和34S(有18個(gè)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(xiàng)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(gè)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(guò)程中排出另一種硫化合物硫化物(圖1)。古微生物代謝過(guò)程中的硫化物“廢物”被儲(chǔ)存在地質(zhì)記錄中，其同位素比值可以通過(guò)分析礦物如圖2所示的FeS2礦物黃鐵礦來(lái)測(cè)量。這項(xiàng)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。
Apr酶還原了APS分子的硫原子，導(dǎo)致了本文報(bào)道的動(dòng)力學(xué)同位素分餾。圖片：ELSI
這使得科學(xué)家可以將新陳代謝與同位素聯(lián)系起來(lái)：通過(guò)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(cè)生物應(yīng)該留下的同位素特征。這項(xiàng)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(guò)30億年的硫同位素比值中，這與這項(xiàng)研究的預(yù)測(cè)相一致，該預(yù)測(cè)表明古代海洋生命實(shí)際上是繁榮的。這項(xiàng)研究工作開(kāi)辟了一個(gè)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(guò)對(duì)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(lái)。
博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)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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