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2020-09-29 16:41
在古老的无氧世界,它们靠什么生存下来?

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Pieter Visscher(康涅狄格大学海洋科学教授)、Brendan Paul Burns(新南威尔士大学高级讲师)、Kimberley L. Gallagher(昆尼皮亚克大学化学副教授),题图来自:视觉中国



数十亿年以前,地球上的生命多数是只在浅水中生存的黏滑的微生物垫。日积月累之下,有时这些微生物群落会导致碳酸盐矿物粘合在一起,形成一种被称为叠层石的层状石灰岩。它们是地球生命的最古老证据,但这些化石并无法直接让我们知道,它们究竟是如何形成的。


我们知道,现如今的大多数生命都是需要依靠氧气来维持的。但是,在大气中有氧气之前,有的微生物群落就已经存在了约十亿年的时间,那么那时候的生命是如何维持的呢?


几年前,一个由地质学家、物理学家和生物学家组成的研究团队,从叠层石化石中找到了与这些古老生命有关的线索。他们提出,(As)或许是这些古老微生物进行光合作用和呼吸作用的关键化学物质。现在,这些古老的微生物群落仍有其现代版本至今仍存活于地球之上,或许还有一部分这样的微生物群落仍在使用砷而生存。如果发现了这样的群落,是否就能算作为这种“砷理论”找到了证据?


有一个主要由智利科学家和阿根廷科学家组成的科考队,他们的目标是在有着极端条件的安第斯山脉中探寻有生命的叠层石。提出了”砷理论“的研究团队加入了这一科考队,结果在阿塔卡马沙漠深处的一片水域中发现了巨大的惊喜。


紫色的微生物垫为古老生命如何运作提供了线索。| 图片来源:Pieter Visscher


那片水域的底部是由叠层石构成的,它们是在完全无氧的环境下茁壮成长的微生物垫,呈现出明亮的紫色。他们的发现果然如那些古老化石中的线索所暗示的那样,这些微生物垫使用了两种不同形式的砷(As(III)和As(V))来进行光合作用和呼吸作用。


 现代生物体在光合作用中会制造氧气,并在呼吸作用中使用氧气;但是,其他元素——如砷(As)也能有同样的功效。| 图片来源:Christophe Dupraz、Anthony Bouton、Pieter Visscher



在过去的24亿年里,像植物和蓝藻这类光合生物会利用阳光、水和二氧化碳来制造氧气和有机物。通过光合作用,太阳能被转化为可供生命使用的化学能。一些生物在代谢有机碳时会吸入氧气,并在此过程中获得呼吸所需的能量。


更古老世界中的微生物也能从阳光中获取能量,但它们不能从水中制造出氧气,也不能利用氧气进行呼吸。因此,它们需要另一种化学物质来做到这些。


从生物化学的角度来看,能做到这些的只有这几个可能的选项:铁、硫、氢,或者砷。但是通过分析化石记录,以及这几种化学物质在原始汤中的含量,研究人员很快排除了铁、硫和氢作为最早时期光合作用的化学物质的可能性,这样一来就只剩下了砷。


2014年,研究人员首次发现了能表明叠层石是在砷的帮助下进行光合作用和呼吸作用的线索。他们通过在澳大利亚内陆的一个古老礁石上钻孔,收集到了27.2亿年前的叠层石碎片。他们用光子撞击这些叠层石碎片,然后测量在这一过程中样本所能释放出的X射线,绘制出了样本中的化学元素图。


研究人员推测,如果化学元素图中能显示出As(III)和As(V)两种砷,那么这就意味着那时的生命的确是利用砷来进行光合作用和呼吸作用的。测量结果没有让他们失望,他们在这些古老的生命遗迹中没有发现铁和硫的踪迹,却果然发现了大量的砷。


这样的结果令人欣喜,但若要进一步证实这种“砷理论”,还需要更多的证据——一个现代例子。从来没有研究人员在完全无氧的环境下发现过微生物垫群落,但如果能够发现,就可以帮助解释第一批叠层石是如何在地球的海洋和缺乏氧气的大气中形成的。


 从微生物垫中提取的样品里含有高水平的砷和锂,却没有氧。| 图片来源:D’Angelo Duran



智利的阿塔卡马沙漠是地球上最干燥的地方,它的两侧是火山,常年暴露在极强的紫外线辐射下。这与30亿年前的地球没有太大区别,这里也不太可能为我们所熟知的那些生命提供生存环境。就是在这样的环境下,研究人员找到了想要寻找的东西。


那是一个深埋于这个严酷沙漠中的咸水湖,名叫Laguna La Brava,一条由火山地下泉水注入的浅水流进了这个湖中。它的河床呈现出一种独特的深紫色。这种颜色源自于一个微生物垫,它们在砷含量、硫含量和锂含量高到异常的水中茁壮地生长,但唯独缺少一种重要的元素——氧。


这些黏糊糊的紫色痕迹能解答有关于古老生命的问题吗?


 一块生活在无氧水流底部的微生物垫。| 图片来源:Pieter Visscher


为了寻找矿物证据,研究人员切下了一块这样的微生物垫。一滴酸能使样品中的矿物冒着气泡(碳酸),表明这种微生物群落正在形成叠层石。研究人员选择在那片地方安营扎寨。他们不分昼夜、不论季节地对水和微生物垫的化学成分进行测量,但一次都没能发现氧气的踪迹。


回到实验室后,他们确认了那里的确有丰富的硫和砷。在显微镜下,他们看到了紫色的光合细菌,但却没有发现任何产氧的蓝藻细菌。他们还从微生物垫上收集了许多DNA样本,发现了负责砷代谢的基因。


在实验室里,他们将微生物垫上的微生物混合,然后加入砷,再让混合物暴露在阳光下。与预想的一样,光合作用随即开始发生,这些微生物使用砷和硫来进行光合作用,而且对砷更加偏爱。当他们极少量地加入某种有机物时,这些微生物开始使用一种不同的砷化合物进行呼吸作用,而没有使用硫。


接下来,他们要证实的就是,在现代叠层石中可以检测到两种类型的砷。利用上述的X射线发射谱学技术,他们对从智利取回的样本绘制化学元素图。他们所做的每个实验都表明了这些独特的现代叠层石可以在没有氧气的情况下,存在一个活跃的砷循环。这无疑证实了他们在2014年研究澳大利亚化石样本时提出的说法,即在我们的地球年轻时,存在一个活跃的砷循环。


 Laguna La Brava比地球上的多数地方都更接近火星的环境。| 图片来源:Pieter Visscher



阿塔卡马的恶劣环境与早期地球以及火星的环境非常相似,这也是为什么许多天体生物学家转向阿塔卡马沙漠来解答有关于生命是如何在地球上开始的,以及生命可能如何在其他星球开始的问题。研究人员在Laguna La Brava发现的砷循环微生物垫,为生命中一些最基本的问题提供了强有力的线索。这一发现无疑为地球上最古老的生命是如何在氧气出现之前的世界存活下来的,提供了迄今为止最有力的证据。


今年,人类开启了一系列火星探测计划,这些探测器带着人类的好奇心在太空中飞驰。或许它们可以使用与这项研究中制作化学元素图的相同过程来研究元素,它们可能也会发现火星的岩层中含有丰富的砷,意味着火星上也可以有依赖砷生存的生命。毕竟,这些古老的微生物就是用这样的方式在超过10亿年的时间里一直生存在地球上的,它们在最严酷的条件下找到了生命的出路,而这些道路正是我们试图发现和理解的。


原文标题为“Ancient microbial life used arsenic to thrive in a world without oxygen”,于2020年9月25日首发于The Conversation


原文链接:https://theconversation.com/ancient-microbial-life-used-arsenic-to-thrive-in-a-world-without-oxygen-146533,中文内容略有编辑,仅供参考,一切内容以原文为准。


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:Pieter Visscher(康涅狄格大学海洋科学教授)、Brendan Paul Burns(新南威尔士大学高级讲师)、Kimberley L. Gallagher(昆尼皮亚克大学化学副教授

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