代謝硫酸鹽的微生物細(xì)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(zhì)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(dǎo)致了動(dòng)力學(xué)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(qiáng)維持生存，還是欣欣向榮？由包括日本東京理工大學(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(guān)論文近日發(fā)表于《自然通訊》雜志。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)家一直想知道地球上的生命存在了多久。如果生命存在的時(shí)間幾乎和地球一樣長(zhǎng)，則表明生命很容易起源，應(yīng)該在宇宙中普遍存在。如果需要很長(zhǎng)時(shí)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(zhì)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(xué)家們只能使用其他方法來(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)的。同位素是含有相同數(shù)量的質(zhì)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(huì)衰變成其他元素，但有些同位素則不會(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(jiǎn)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(lái)建造自己的細(xì)胞。自然產(chǎn)生的CO2的C12和C13比例相當(dāng)穩(wěn)定。然而，12CO2比13CO2輕2%，這導(dǎo)致12CO2分子擴(kuò)散和反應(yīng)稍快一點(diǎn)，因此微生物本身就會(huì)變得更“輕”，包含更多的12C。當(dāng)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(cè)量的。這些過程的同位素組成，或“特征”，對(duì)產(chǎn)生它們的微生物來(lái)說是特定的。

　　除了碳之外，還有其他生物必需的化學(xué)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(xiàng)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(gè)氧原子結(jié)合）的新陳代謝導(dǎo)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(chǔ)在地質(zhì)記錄中，科學(xué)家們可以通過分析如圖2所示的FeS2礦物黃鐵礦來(lái)測(cè)量同位素比值。

　　這項(xiàng)新研究揭示了微生物硫代謝的主要生物控制步驟，并闡明了何種細(xì)胞狀態(tài)導(dǎo)致了何種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(lái)：通過了解新陳代謝如何改變穩(wěn)定同位素的比值預(yù)測(cè)生物應(yīng)該留下的同位素特征。

　　這項(xiàng)研究還提供了一些關(guān)于遠(yuǎn)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(yù)測(cè)一致，表明了古代海洋的生命實(shí)際上是繁榮的。這項(xiàng)工作開辟了一個(gè)新的研究領(lǐng)域，ELSI的副教授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(duì)酶的進(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)。

　　科界原創(chuàng)

　　編譯：花花

　　審稿：阿淼

　　責(zé)編：南熙