铝质层状硅酸盐促进太古代硅质碎屑微生物席中生物地球化学异质性的纳米级保存

《Nature Communications》：Aluminous phyllosilicates promote exceptional nanoscale preservation of biogeochemical heterogeneities in Archaean siliciclastic microbial mats

研究人员探索太古代砂岩中微生物席保存机制，发现铝质层状硅酸盐可促进生物地球化学异质性保存，为生命探索提供新方向。

　　在漫长的地球历史长河中，前寒武纪的生物地球化学复杂性的保存一直是科学界关注的焦点。以往研究发现，前寒武纪的有机生物标志物大多存在于燧石、磷酸盐和页岩等特定岩石类型中。然而，在那些分选不佳、粒度较粗的硅质碎屑岩中，也偶尔会出现古老化石，如微生物席和微生物成因沉积构造（Microbially Induced Sedimentary Structures，MISS）。只是，这些岩石在地质时间尺度上，究竟如何精确地保留微生物的有机痕迹，长期以来一直是个未解之谜。

这个谜题不仅关乎我们对地球早期生命演化的理解，还对在火星等其他星球上寻找生命迹象有着重要意义。因为火星上也存在类似的含层状硅酸盐的砂岩，对这些岩石中有机物质保存机制的研究，有助于我们判断火星上是否曾存在生命。

为了揭开这一谜题，来自英国、韩国、意大利等多个国家研究机构的研究人员组成团队，针对澳大利亚皮尔巴拉地区约 29 亿年前的蚊子溪组（Mosquito Creek Formation，MCF）砂岩中保存的微生物席展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解早期生命的保存和寻找外星生命带来了新的曙光。

研究人员运用了一系列先进的空间相关显微镜和地球化学技术，这些技术就像是打开微观世界大门的钥匙，帮助他们探索微生物席在纳米尺度的奥秘。比如，光学显微镜（Optical microscopy）让他们能直接观察岩石样本的微观结构；微 X 射线衍射（Micro-XRD）可以分析样本中的晶体相；扫描电子显微镜结合能谱仪（SEM-EDS）能对样本进行元素分析；拉曼光谱（Raman microspectroscopy）和傅里叶变换红外光谱（FTIR microspectroscopy）则用于研究有机物质的成分和分布。此外，透射电子显微镜（TEM）、扫描透射电子显微镜结合电子能量损失谱（STEM-EELS）以及扫描透射 X 射线显微镜（STXM）等技术，帮助研究人员在更高分辨率下观察微生物席的微观结构和元素组成。

研究结果如下：

• 岩石学背景：MCF 砂岩是分选不佳至中等、化学不成熟的长石砂岩，有机物质主要存在于离散的纹层中，与铝质层状硅酸盐密切相关。这些层状硅酸盐在有机层中高度富集，而在基质中则较少。研究人员通过多种分析技术确定了层状硅酸盐的种类，包括白云母、伊利石和高岭石等。有机层厚度大多在 0.1 - 0.5mm 之间，由交织的、厚度小于 30μm 的含干酪根纹层与沉积颗粒层相互穿插组成。通过对有机层的形态和结构分析，研究人员认为这些层状结构是化石硅质碎屑微生物席。
• 有机物质组成：利用 FTIR 光谱和 STXM 等技术，研究人员对有机物质的组成进行了详细分析。结果发现，微生物席纹层中含有丰富的脂肪族和芳香族有机物质，其CH3?/CH2?比值在 0.1 - 1.1 之间，主要集中在 0.4 - 0.5，表明其可能主要来源于细菌的细胞膜脂质。此外，还检测到羰基、烯烃、酚类和其他芳香族基团，以及羧基等。这些有机物质的存在，为研究微生物席的生物地球化学过程提供了重要线索。
• 保存机制：研究人员提出，MCF 砂岩中微生物席的卓越保存主要得益于沉积和共生过程，尤其是埋藏成岩作用中的一些现象。在沉积阶段，高能和低能沉积交替，使得富含微生物的细粒沉积物能够在低能时期沉积下来，并在高能沉积事件中得到保护。生物膜形成和生长阶段，微生物在富含层状硅酸盐的沉积物上形成生物膜，随着沉积物的不断堆积，生物膜被埋藏。在埋藏成岩和稳定化阶段，随着埋藏深度的增加，基质发生压实、方解石胶结和白云石化，而富含层状硅酸盐的有机层则形成了缺氧微环境，有利于有机物质的保存。在变质阶段，钾长石转变为伊利石，体积减小，形成压力阴影，阻止了微生物席有机物质的广泛成熟，从而保留了生物地球化学异质性。

研究结论和讨论部分指出，该研究详细揭示了太古代硅质碎屑微生物席生态系统从薄片到纳米结构尺度的特征。MCF 微生物席中保存的有机物质具有高度的生物地球化学异质性，这在粗粒硅质碎屑岩中是非常罕见的，并且超出了绿片岩相变质岩中生物地球化学保留的预期。研究人员认为，铝质层状硅酸盐在纳米尺度上与微生物干酪根相互作用，通过压力补偿机制促进了无序无定形和准层状碳质材料的保存，阻碍了有机物质的成熟。

这项研究的意义重大。它为寻找早期地球和火星上的生命痕迹开辟了新的途径。以往被忽视的地质序列，可能在纳米尺度上蕴含着丰富的生物信息。未来，研究人员可以进一步研究其他富含层状硅酸盐的环境，评估该机制在数十亿年地质时间尺度上的普遍性。这不仅有助于我们更深入地了解地球早期生命的演化，还可能为外星生命的探索带来新的突破。