我国科学家揭示生命与地球环境演变新线索

细菌化石是指保存在岩石中的细菌遗体或其活动留下的痕迹。4月12日,记者从西北大学早期生命与环境研究团队获悉,该团队与中国科学院地质与地球物理研究所、上海交通大学等单位科学家合作,在5.18亿年前的寒武纪清江生物群中发现多细胞结构的丝状硫酸盐还原细菌化石清江丝菌,并结合分子生物学分析结果,还原了硫酸盐还原菌与地球环境协同演化历史。相关研究成果日前发表在学术期刊《科学通报》(英文版)上。

在此之前,除了少数有特殊形貌的蓝细菌化石和趋磁细菌磁小体化石外,在古老地质记录中还没有发现可靠的硫酸盐还原细菌化石。硫酸盐还原菌的演化与地球环境变化的关系,科学界也没有明确的认识。

论文共同通讯作者、西北大学教授张兴亮表示,硫酸盐还原细菌是一类在厌氧条件下生活的微生物,它们利用硫酸盐氧化有机碳来获取能量,并在此过程中将硫酸盐还原产生代谢产物硫化氢。这些细菌在环境科学、生态学和工业领域中都具有极为重要的意义。它们是地球硫循环的关键推动者,通过还原硫酸盐参与到硫的生物地球化学循环中,影响硫在不同价态和形态间的转化。同时,它们也参与有机质的分解和甲烷氧化等过程,从而调节海洋的氧化还原状态和温室气体排放。

研究团队根据化石证据和谱系基因组学分析结果,提出硫酸盐还原菌与地球氧化事件协同演化假说,认为脱硫细菌门首先在24亿年前的大氧化事件期间发生辐射演化,约8.5亿年前演化出丝状多细胞种类;在新元古代末期,地球第二次氧化事件导致海底广泛氧化,丝状种类约在5.6亿年前获得传导电子功能,硫酸盐还原通路逆转,演化成可以跨越氧化还原界面,一端在还原带氧化硫,另一端在氧化带还原氧的电缆细菌。

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清江丝菌化石的多细胞丝状体形态。(a,b)清江丝菌的多细胞丝状体长链;(c)同一丝体相邻细胞内黄铁矿微晶的晶型和大小可发生变化;(d)酸处理后的清江丝菌显示完整的棒状细胞形态;(e)一枚嵌入在泥质围岩中的棒状细胞;(f)一截四连体细胞,在部分细胞的中间部位可见细胞分裂形成的浅沟(箭头);(g)同一丝体上细胞宽度基本恒定,长度变化不一,并且在细胞链接处明显收缩。(a–c,g):扫描电镜二次电子图像;(d–f):扫描电镜背散射电子图像

论文共同通讯作者、中国科学院地质与地球物理研究所研究员李金华表示,这项研究是古生物学、地球化学、谱系基因组学交叉合作的结果,同时借助了多种高分辨率、高精度显微和微区原位分析技术,是在多学科交叉背景下探究微生物硫酸盐还原作用与地球环境协同演化的首次尝试,对融合利用显微学和基因组学等最新技术、促进地学与生物学前沿交叉、探索解决地球与生命协同演化等具有重要意义。

“结合分子生物学对不同谱系微生物起源演化时间预测,在古老地质记录中找到可靠的微生物化石证据,是当下天体生物学的重要研究课题。”论文的共同通讯作者、上海交通大学副教授王寅炤认为,这项研究能够为科学家探讨“生命在火星等其他行星上的存在、演化的可能性研究”提供参考,为人类寻找地外生命提供了一种可能的途径。

(西北大学早期生命与环境研究团队供图)

(原题:我国科学家发现古老细菌化石 揭示生命与地球环境演变新线索)