34.2亿年前，生命最古老的证据
34.2亿年前，生命最古老的证据
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Måka，原文标题：《新纪录：34.2亿年前》，题图来自：unsplash
一
20世纪七八十年代，科学家在不见天日的海底发现了生机勃勃的“黑烟囱”生态系统。在这些地方，富含矿物质的流体和炽热的火山地壳相互作用，形成热液喷口，就好像冒着黑“烟”的大烟囱。
从那时起，人们开始逐渐意识到，即使在这种不见阳光、远离地表的地球角落，在化学能的驱动下，生命仍然可以蓬勃发展。
全球海底热液活动区的大致分布图。| 图片来源：Wikicommons
我们现在已经知道，这种热液系统广泛分布在海底各处，许多喷口附近的生态系统更是丰富多彩。
在这些地方，较冷的海水与较温暖的地下热液的相互作用会产生丰富的“化学汤”，这些环境条件的变化也会导致多种潜在的微栖息地的出现，很多微生物甚至依赖微弱化学能就能生存下去。
近日，一组国际研究人员的新发现再次拓展了生命的边界。他们发现了34.2亿年前生活在海底的热液系统中的甲烷循环微生物的化石。这些微化石是这类生命最古老的证据，它拓展了早期地球以及火星等其他行星上潜在宜居环境的边界。研究已于近日发表在《科学进展》上。
二
生物学家推断，消耗或产出甲烷的新陈代谢模式应该很早就进化出来了，但他们还不确定这类生物究竟是什么时候出现的。
先前的研究已经发现了进行甲烷循环的微生物的一些间接证据，表明微生物可能存在于约35亿年前充满流体的古老岩石中。但早先的研究并没有找到真正的微生物。虽然理论上来说这些古菌能够留下化石，但直接证据却非常有限。
在这项新研究中，团队分析了从南非巴伯顿绿岩带采集的岩石标本。这一区域靠近斯威士兰和莫桑比克边界，这里包含了一些在我们这颗星球上发现的最古老、保存最完好的沉积岩。
研究采集的岩石来自南非巴伯顿绿岩带。｜图片来源：A. Hofmann
团队将岩石样本切割成30-50µm厚的切片，在显微镜下观察，同时采用了质谱和一种被称为显微拉曼光谱的特殊成像技术进行检测。研究人员在岩石中发现了一些微小的细丝状结构，平均长度约42 µm，直径只有0.77 µm。这些细丝状的化石出现在热液脉中，也就是基岩中含有被加热的水的裂缝。
丝状微化石的光学显微镜图像。｜图片来源：B. Cavalazzi
经过详细的化学分析，科学家认为，这些丝状结构可以被解释为细胞结构的残留，也就是生命的遗迹。它们似乎曾经在海底数米之下的热液系统形成的空腔壁上繁衍生息。
共焦拉曼成像显示丝状结构内部包含碳质物质。｜图片来源：B. Cavalazzi
细丝化石包含一个碳基的外壳。从结构和化学上来说，这个外壳和保存下来的内部的部分并不相同，这就好像细胞的内部被外面一层细胞壁或细胞膜包裹着一样。
化学分析表明，细丝包含着生命所需的大部分主要元素。有机化合物中镍的浓度相对较高，而镍有可能来自微生物中含镍的酶，这提供了原始代谢的进一步证据。团队还注意到，这种浓度与现代的古菌原核生物中发现的镍含量水平非常相似，这些现代微生物往往生活在缺氧的环境中，利用甲烷进行新陈代谢。
研究的第一作者Barbara Cavalazzi认为，证据很好地表明，他们发现了保存异常完好的微生物化石。她同时表示，“受火山活动加热的地下栖息地可能是地球上最早的微生物生态系统出现的地方，而这也是迄今为止我们发现的最古老的例子。这一发现可以将这类古菌化石的记录扩展到地球上首次出现生命的时代”。
南非巴伯顿绿岩带的岩石样本的露头部分。｜图片来源：Cavalazzi et al.
三
一些科学家相信，这些细丝确实是太古宙产甲烷生物化石的有力证据。这类古老的化石可能包含着关于地球早期居民的线索。有人怀疑，我们星球上的生命可能就是在类似的环境中产生的。
然而，对早期生命形式的探索也出现过一些错误的信号。部分研究人员对这些化石的真实性仍存疑。牛津大学地球生物学家Julie Cosmidis在接受《科学新闻》采访时表示，在富含二氧化硅的热液环境中，一些成分可能会混合在一起，通过化学形成看似生命的样子，而它们比实际的细胞更容易留下“化石”。她同时指出，镍在早期地球上非常常见，很容易附着在有机物上。事实上，科学家对制造虚假生物痕迹的过程还不够了解。
无论如何，后续研究和试验可能会让我们对最古老的产甲烷生物有更多的了解。研究人员同时表示，新研究可能会带来一些启发。比如，目前寻找地球上早期生命迹象的科学家对地表水沉积物的探索远超过这些热液系统。也许我们应该将眼界放得更宽一些，生命和它的起源可能远比我们想象的更神奇。
参考来源：
https://phys.org/news/2021-07-oldest-fossils-methane-cycling-microbes-frontiers.html
https://www.sciencenews.org/article/oldest-archaea-microbe-fossil-fillaments-life-evolution
https://www.the-scientist.com/news-opinion/microbial-fossils-found-in-3-4-billion-year-old-subseafloor-rock-68975
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Måka