代謝硫酸鹽的微生物細胞的電子顯微圖像。

　　硫化物是由微生物在其能量代謝過程中利用硫酸鹽而形成的，這種物質可以在硫化鐵礦物中存在數(shù)十億年，就像照片中的FeS2礦物黃鐵礦一樣。

　　ELSI的副教授Shawn McGlynn解釋說APS分子中的硫原子被Apr酶還原，導致了動力學同位素分餾。

　　35億年前，地球上出現(xiàn)了生命，這些生命是勉強維持生存，還是欣欣向榮？由包括日本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的答案：數(shù)十億年的硫同位素比值記錄的微生物的新陳代謝表明，生命在古代海洋中繁榮昌盛。相關論文近日發(fā)表于《自然通訊》雜志。利用這些數(shù)據(jù)，科學家可以更深入地將地球化學記錄與細胞狀態(tài)和生態(tài)聯(lián)系起來。

　　科學家一直想知道地球上的生命存在了多久。如果生命存在的時間幾乎和地球一樣長，則表明生命很容易起源，應該在宇宙中普遍存在。如果需要很長時間生命才能產(chǎn)生，就意味著必須發(fā)生非常特殊的情況才能出現(xiàn)生命。早在恐龍出現(xiàn)之前，微生物已經(jīng)存在了數(shù)十億年。雖然微生物在古代地質記錄中留下了一些它們存在的物理證據(jù)，但它們并沒有很好地變成化石，因此科學家們只能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(jù)是以穩(wěn)定同位素的形式出現(xiàn)的。同位素是含有相同數(shù)量的質子、不同數(shù)量的中子的原子。雖然許多同位素具有放射性，會衰變成其他元素，但有些同位素則不會發(fā)生這種反應，這些被稱為“穩(wěn)定”同位素。例如，碳的穩(wěn)定同位素包括C12和C13。

　　所有的生物，包括人類，都在“吸收和排泄”。微生物通常以環(huán)境提供的簡單化合物為食，例如，一些微生物能夠吸收二氧化碳（CO2）作為碳源來建造自己的細胞。自然產(chǎn)生的CO2的C12和C13比例相當穩(wěn)定。然而，12CO2比13CO2輕2%，這導致12CO2分子擴散和反應稍快一點，因此微生物本身就會變得更“輕”，包含更多的12C。當微生物死亡并留在化石記錄中，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特定的。

　　除了碳之外，還有其他生物必需的化學元素。例如硫，它有3種天然豐富的穩(wěn)定同位素：32S、33S和34S。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史。之前的數(shù)百項研究已經(jīng)考察了古代和現(xiàn)代硫同位素比值的大幅變化，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）的新陳代謝導致的。許多微生物能夠以硫酸鹽作為原料，在代謝過程排出硫化物（另一種硫化合物，如圖1所示）。古微生物新陳代謝的硫化物“廢物”存儲在地質記錄中，科學家們可以通過分析如圖2所示的FeS2礦物黃鐵礦來測量同位素比值。

　　這項新研究揭示了微生物硫代謝的主要生物控制步驟，并闡明了何種細胞狀態(tài)導致了何種類型的硫同位素分餾。這使得科學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)定同位素的比值預測生物應該留下的同位素特征。

　　這項研究還提供了一些關于遠古生命新陳代謝的初步信息。記錄在超過30億年的硫同位素比值中的微生物硫酸鹽代謝，和新研究的預測一致，表明了古代海洋的生命實際上是繁榮的。這項工作開辟了一個新的研究領域，ELSI的副教授Shawn McGlynn稱之為“進化和同位素酶學”。利用這種類型的數(shù)據(jù)，科學家現(xiàn)在可以繼續(xù)研究其他元素，如碳和氮，并通過對酶的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(tài)和生態(tài)聯(lián)系起來。

　　科界原創(chuàng)

　　編譯：花花

　　審稿：阿淼

　　責編：南熙