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35亿年前地球上的生命正在蓬勃发展

发布时间:2019-02-10 14:36:02

三十五亿年前,地球主宰了生命,但它几乎没有生存,或者茁壮成长?由包括东京工业大学(东京理工大学)地球生命科学研究所(ELSI)在内的多机构团队开展的一项新研究为这一问题提供了新的答案。微生物代谢以数十亿年的硫同位素比率记录,这与本研究的预测一致,表明生命在古代海洋中繁盛。利用这些数据,科学家可以更深入地将地球化学记录与细胞状态和生态学联系起来。

科学家们想知道地球上存在多长时间的生命。如果它已经存在了几乎与地球一样长的时间,这表明生命很容易起源,因此在宇宙中应该是常见的。如果需要很长时间才能产生,这表明必须有非常特殊的条件。恐龙的骨骼在世界各地的博物馆展出,其前有数十亿年的微生物。虽然微生物已经在古代地质记录中留下了一些物理证据,但它们并没有很好地化石化,因此科学家们使用其他方法来了解生命是否存在于地质记录中。

目前,地球上微生物生命的最古老的证据以稳定同位素的形式出现在我们身上。元素周期表中的化学元素由其原子核中的质子数决定。例如,氢原子有一个质子,氦原子有两个,碳原子含有六个。除了质子之外,大多数原子核还含有中子,这些中子与质子一样重,但不带电荷。含有相同数量的质子但可变数量的中子的原子被称为同位素。虽然许多同位素具有放射性,因此会腐蚀成其他元素,但有些同位素不会发生这种反应;这些被称为“稳定”同位素。例如,碳的稳定同位素包括碳12(简称为12C,具有6个质子和6个中子)和碳13(13C,具有6个质子和7个中子)。

所有生物,包括人类,都“吃和排泄”。也就是说,他们吸收食物并驱逐废物。微生物经常吃由环境提供的简单化合物。例如,一些人能够吸收二氧化碳(CO2)作为碳源来构建他们自己的细胞。天然存在的CO 2具有相当恒定的12℃至13℃的比例。然而,12CO2比13CO2轻约2%,因此12CO2分子扩散并反应稍快,因此微生物本身变成“同位素轻”,含有比13C更多的12C,当它们死亡并将其遗体留在化石记录中时,它们的稳定同位素特征仍然存在,并且是可测量的。这些过程的同位素组成或“特征”可以对产生它们的微生物非常特异。

除了碳,还有生物必需的其他化学元素。例如,具有16个质子的硫具有三种天然丰富的稳定同位素,32S(具有16个中子),33S(具有17个中子)和34S(具有18个中子)。因此,微生物留下的硫同位素模式记录了基于含硫化合物的生物代谢历史,大约在35亿年前。

数百项先前的研究已经研究了由硫酸盐(一种与四个氧原子结合的天然存在的硫化合物)代谢产生的古代和现代硫同位素比率的广泛变化。许多微生物能够使用硫酸盐作为燃料,并在此过程中排泄硫化物,另一种硫化合物(图1)。然后将古代微生物代谢的硫化物“废物”储存在地质记录中,并且可以通过分析矿物质如图2中所示的FeS 2矿物黄铁矿来测量其同位素比率。

这项新研究揭示了微生物硫代谢的主要生物控制步骤,并阐明了哪种细胞状态导致哪种类型的硫同位素分馏。这使科学家能够将新陈代谢与同位素联系起来:通过了解新陈代谢如何改变稳定的同位素比率,科学家们可以预测同位素特征生物体应该留下来。

这项研究提供了一些关于古代生活如何强有力地代谢的第一个信息。 超过30亿年的硫同位素比率记录了微生物硫酸盐代谢,这与本研究的预测一致,这表明生命在古代海洋中正在蓬勃发展。 这项工作开辟了一个新的研究领域,ELSI副教授Shawn McGlynn称之为“进化和同位素酶学”。 利用这种类型的数据,科学家们现在可以进行其他元素,如碳和氮,并通过了解酶的进化和地球历史,更完整地将地球化学记录与细胞状态和生态联系起来。

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