35亿年前地球上有生命，但它是勉强生存下来，还是非常繁荣？由包括东京理工大学地球生命科学研究所(ELSI)在内的多机构领导小组进行的一项新研究为这个问题提供了新答案。微生物新陈代谢被记录在数十亿年的硫同位素比值中，这与这项研究的预测一致，表明生命在古代海洋中繁荣昌盛。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联系起来。科学家想知道地球上的生命存在了多久。如果它存在的时间几乎和地球一样长，这表明生命很容易起源，因此应该在宇宙中普遍存在。如果它需要很长时间才能产生，这就意味着必须发生非常特殊的情况。恐龙的骨骼被陈列在世界各地的博物馆里，在此之前，微生物已经存在了数十亿年。
虽然微生物在古代地质记录中留下了它们存在的一些物理证据，但它们并没有很好地变成化石，因此科学家们使用其他方法来了解地质记录中是否存在生命。目前，地球上微生物存在的最古老证据是以稳定同位素的形式出现。元素周期表上的化学元素是由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，碳原子有六个。除了质子外，大多数原子核还含有中子，中子的质量和质子差不多，但不带电荷。含有相同数量的质子，但不同数量的中子的原子称为同位素。虽然许多同位素具有放射性，因此会衰变成其他元素，但有些则不会发生这种反应，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12C，有6个质子和6个中子)和碳13 (13C，有6个质子和7个中子)。
呼吸硫酸盐的微生物细胞电子显微镜图像。图片：Guy Perkins和Mark Ellisman，国家显微镜和成像研究中心
所有的生物，包括人类，都“吃和排泄”。也就是说，它们吸收食物，排出废物。微生物通常以环境提供的简单化合物为食。例如一些人能够吸收二氧化碳(CO2)作为碳源来建造自己的细胞。自然产生的二氧化碳在12 – 13摄氏度之间的比例相当稳定。然而，12二氧化碳比13二氧化碳轻2%，所以12二氧化碳分子扩散和反应稍微快一点，因此微生物本身就变成了“同位素光”，包含的12碳比13碳多，当它们死亡后，留在化石记录中，它们稳定的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”，对产生它们的微生物来说是非常特殊的。除了碳之外，还有其他生物必需的化学元素。
硫化物是由微生物在其能量代谢过程中使用硫酸盐而形成，这些微生物可以在硫化铁矿物中被捕获数十亿年，就像照片中的FeS2矿物硫铁矿一样。西姆和同事们的新研究表明，在控制这些矿物中硫同位素的最终混合物时，单个细胞酶的重要性，进而将生物化学、细胞生理学和地球上生命的记录联系起来。图片：Yuichiro Ueno, ELSI
例如，硫，有16个质子，有3种天然丰富的稳定同位素，32S(有16个中子)，33S(有17个中子)和34S(有18个中子)。微生物留下的硫同位素模式记录了35亿年前含硫化合物的生物代谢历史。之前数百项研究已经考察了古代和现代硫同位素比率的广泛变化，这些变化是由硫酸盐(一种自然形成的硫化合物，与4个氧原子结合)的新陈代谢所导致。许多微生物能够以硫酸盐为燃料，在此过程中排出另一种硫化合物硫化物(图1)。古微生物代谢过程中的硫化物“废物”被储存在地质记录中，其同位素比值可以通过分析矿物如图2所示的FeS2矿物黄铁矿来测量。这项新研究揭示了微生物硫代谢的主要生物控制步骤，并阐明了哪些细胞状态导致了哪些类型的硫同位素分馏。
Apr酶还原了APS分子的硫原子，导致了本文报道的动力学同位素分馏。图片：ELSI
这使得科学家可以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，科学家可以预测生物应该留下的同位素特征。这项研究提供了一些关于远古生命新陈代谢的初步信息。微生物硫酸盐代谢记录在超过30亿年的硫同位素比值中，这与这项研究的预测相一致，该预测表明古代海洋生命实际上是繁荣的。这项研究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，科学家现在可以继续研究其他元素，如碳和氮，并通过对酶进化和地球历史的理解，更全面地将地球化学记录与细胞状态和生态联系起来。
博科园｜研究/来自：东京工业大学
参考期刊文献:《Nature Communications》
DOI: 10.1038/s41467-018-07878-4
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