一个古老的伙伴关系解开了地球进化的微生物蓝图

科学家回顾微生物对地球历史的广泛影响，通过同位素和遗传证据追踪它们的影响。

　　

这项研究强调了微生物活动与主要环境变化(如氧气水平)之间的联系，这对于了解地球的进化和评估地外宜居性至关重要。

美国宇航局支持的科学家们研究了微生物生命和地球环境之间漫长而复杂的联系。通过回顾微生物学、分子生物学和地质学等领域的知识现状，该研究着眼于微生物如何塑造和被我们星球的海洋、陆地和大气的化学性质所塑造。这项研究结合了多个研究领域的数据，并讨论了如何不能孤立地看待来自单一领域的关于我们星球上复杂生命历史的信息。

了解微生物化石

地球上最早的生命是微生物。今天，我们星球上绝大多数的生物量仍然是由微小的单细胞微生物组成的。尽管微生物数量众多，但对天体生物学家来说，研究微生物的历史可能是一个挑战。微生物不会像恐龙、鱼或其他大型生物那样留下骨头、贝壳或其他大型化石。正因为如此，科学家们必须寻找不同的证据来理解微生物生命随着时间的推移而进化。

土耳其萨尔达湖沿岸的岩石是由微生物在水中捕获矿物质而形成的。这些微生物曾经是地球上主要的生命形式。来源:美国国家航空航天局/姓名

为了研究地球上的古代微生物，天体生物学家在岩石中寻找可以用来识别古代群落代谢的同位素指纹。新陈代谢是指将食物转化为能量，在所有生物中都有发生。许多元素(如碳(C)、氮(N)、硫(S)、铁(Fe))都参与微生物的代谢。当微生物处理这些元素时，它们会引起同位素变化，科学家可以在岩石记录中发现这些变化。微生物还有助于控制这些元素如何在环境中沉积和循环，影响当地和全球尺度的地质和化学(考虑微生物在当今地球碳循环中的作用)。

遗传学和地质学见解

研究古代微生物生命的另一种方法是回顾包含在今天生命遗传学中的进化信息。将分子生物学的遗传信息与岩石记录的地质生物学信息结合起来，可以帮助天体生物学家了解早期地球和早期生命共同进化之间的联系。

作为微生物代谢的地质证据的一个例子，我们可以考虑古代海底带状铁地层的形成。这些五颜六色的富含铁和硅的沉积层交替形成于38亿到18亿年前，与地球上一些最古老的岩层有关。它们呈现出的红色是因为它们的高铁含量，这表明在这些岩石形成的20亿年里，地球的海洋富含铁。

在这项新研究中，研究小组对当前的知识进行了回顾，收集了微生物生命使用的早期代谢的信息，这些代谢进化的时间，以及这些过程如何与地球上主要的化学和物理变化联系在一起，例如海洋和大气的氧化作用。

进化和氧化效应

随着时间的推移，地球上氧气的含量在海洋、大气和陆地上发生了巨大的变化。这些变化影响了生物圈和环境的进化。例如，由于光合作用生物的活动提高了大气中的氧气水平，为微生物的生存创造了新的环境。生命可以获得不同的营养物质来促进生长。与此同时，无法在有氧气存在的环境中生存的微生物必须适应、死亡，或者在没有氧气存在的环境中找到生存的方法，比如在地球的地下深处。

这项新研究解释了我们对氧气水平如何随时间和空间尺度变化的理解。作者将不同类型的微生物代谢，如光合作用，映射到这段历史中，以更好地理解氧气与地球上生命进化之间的“因果关系”。这篇论文为生物圈和地球进化过程中的重大变化提供了重要的背景。

生物地球化学循环及其演化影响

通过仔细考虑地球上不同类型微生物代谢的历史，这篇综述论文显示了我们星球上的生物地球化学循环是如何在局部和全球尺度上随着时间的推移而密不可分的。作者还讨论了我们知识中限制解释的重大差距。例如，我们不知道地球上年轻的生物圈有多大，这限制了我们估计地球早期各种代谢对全球影响的能力。

同样，当利用遗传信息回顾生命之树时，科学家可以估计出某些基因首次出现的时间(从而估计出当时活细胞中可能使用的代谢类型)。然而，在历史的某个时刻，一种新型代谢的进化并不一定意味着这种代谢是普遍的，或者在环境中产生了足够大的影响，以至于在岩石记录中留下了证据。

结论和对地外生命的启示

根据作者的说法，“微生物生命的历史与海洋、陆地和大气的历史同步发展，我们对早期地球环境的了解仍然有限。”

这项研究对寻找地外生命也有更广泛的意义。了解生命和环境的共同进化可以帮助科学家更好地了解行星适宜居住的必要条件。生命与环境之间的相互联系也为寻找围绕遥远恒星运行的行星大气中的生物特征气体提供了重要线索。

参考文献:“Co‐evolution of early Earth environments and microbial life” by Timothy W. Lyons, Christopher J. Tino, Gregory P. Fournier, Rika E. Anderson, William D. Leavitt, Kurt O. Konhauser and Eva E. Stüeken, 29 May 2024, Nature Reviews Microbiology.