在没有氧气的世界中,古代的微生物生活利用砷ar壮成长

如今,地球上大多数生命都受到氧气的支持。但是,古老的微生物垫在大气中存在氧气之前已经存在了十亿年。那么生活改用了什么呢?

似乎是平坦的沿海岩石中的不规则的平坦紫色区域。

紫色微生物垫提供了有关古代生活如何运作的线索。图片通过 彼得·维舍/ 对话.

通过 彼得·维舍, 康涅狄格大学; 布伦丹·保罗·伯恩斯, 新南威尔士大学金伯利·加拉格尔, 昆尼皮亚克大学

数十亿年前,地球上的生命主要只是生活在浅水中的大型粘菌层。有时,这些微生物群落产生了碳酸盐矿物,这些碳酸盐矿物经过多年的凝结在一起成为 层状石灰岩,称为叠层石。它们是地球上生命的最古老证据。但是化石并没有告诉研究人员它们如何形成的细节。

今天,大多数生命都靠氧气维持。但是这些微生物垫存在了十亿年 在大气中存在氧气之前。那么生活改用了什么呢?

我们的团队 地质学家, 物理学家生物学家 在化石叠层石中发现暗示砷是古代光合作用和呼吸作用的首选化学物质。但是,今天这些微生物群落的现代版本仍然生活在地球上。也许其中一种用过的砷可以为我们的理论提供证据?

因此,我们参加了智利和阿根廷科学家的一次考察探险队,以寻找在安第斯山脉高海拔地区极端条件下存在的叠层石。在深处的一条小溪中 阿塔卡马沙漠,我们发现了一个很大的惊喜。通道的底部是明亮的紫色,由层状石建造的微生物垫制成,这些垫在完全没有氧气的情况下会蓬勃发展。就像我们在古代化石中发现的线索所暗示的那样,这些垫子使用两种不同形式的砷来进行光合作用和呼吸作用。我们的发现提供了最有力的证据,说明地球上最古老的生命是如何在氧气前世界中生存的。

用两种细菌和砷副产物标记的呼吸周期图。

现代生物体在光合作用过程中会产生氧气,并将其用于呼吸中,但是其他元素(如砷,此处显示为As)也可以起作用。图片来自Christophe Dupraz / Anthony Bouton / 彼得·维舍/ 对话.

将阳光转化为能量

在过去的24亿年中,光合作用生物如植物和 蓝绿色蓝细菌 已经利用阳光,水和二氧化碳制造氧气和有机物。通过这样做,他们将来自太阳的能量转化为生命所需要的能量。其他生物在消化有机碳时会吸入氧气,从而在呼吸过程中获取能量。

古代世界的微生物也从阳光中捕获能量,但它们的原始机械 不能从水中制造氧气 或使用氧气进行呼吸。他们需要另一种化学药品来做到这一点。

从生化角度看,只有少数可能的候选物:铁,硫,氢或砷。化石记录中缺乏证据,其中某些化学物质的含量微不足道 在原始汤中 暗示铁,硫或氢都不可能是最早形式的光合作用的候选者。留下砷。

2014年,我们的团队发现了第一个线索,即通过砷辅助的光合作用和呼吸作用产生了叠层石。我们收集了 27.2亿年历史的叠层石 从氧气前世界钻进一个古老的珊瑚礁 澳大利亚内陆。然后,我们将这些样本带到法国,并将它们切成细条。 通过测量当我们用光子轰击它们时产生的X射线,我们绘制了样品中化学元素的图。如果地图中存在两种砷,则表明生命正在利用砷进行光合作用和呼吸作用。在这些古代生活遗迹中,我们发现了很多两种形式的砷,但没有发现铁或硫。

这很诱人,但是我们需要更多的证据:现代的类似物可以帮助证明我们的砷理论。迄今为止,还没有研究人员发现微生物垫群落生活在一个完全没有氧气的地方,但是如果我们发现一个微生物垫群落,则可以帮助解释当我们的海洋和大气层缺乏氧气时第一批叠层石是如何形成的。

手拿着小的,滴在浅沿海水坑上方的样品容器。

从微生物垫上采集的样品中砷和锂含量很高,但没有氧气。图片来自D'Angelo Duran / 对话.

现代微生物,古代类似物

智利的阿塔卡马沙漠是地球上最干燥的地方,两侧是火山,并受到极高的紫外线辐射。它与30亿年前的地球没有太大不同,并且并不完全支持我们所知道的生命。在这里,在横跨四大洲和七个国家的团队的帮助下,我们找到了想要的东西。

目的地是拉古纳布拉瓦河(Laguna La Brava),这是一个咸味很浅的浅湖,深深地塞入了这片荒漠。一条浅水流由火山地下水泉注入,进入湖泊。河床是独特的深紫色。颜色来自微生物垫,在含有异常大量的砷,硫和锂,但缺少一个重要元素:氧气的水中非常愉快地蓬勃发展。

闪闪发光,表面粗糙,呈土豆状的紫色和棕色块状。

一块生活在无氧流底部的微生物垫。图片通过 彼得·维舍/ 对话.

这些黏糊糊的紫色斑点能否为一个古老的问题提供答案?

我们切下一块垫子,寻找矿物质的证据。一滴酸使矿物质嘶嘶作响-碳酸盐! –这个微生物群落正在形成叠层石。因此,我们的团队开始工作,一次在现场露营了几天。

我们在白天和黑夜,夏季和冬季使用现场设备测量了水和垫子的化学成分。我们没有一次找到氧气,然后回到实验室,我们确认了硫和砷含量丰富。通过显微镜观察,我们看到了紫色的光合细菌,但是没有氧气产生的蓝细菌。我们还从垫子上收集了DNA样品,发现了砷代谢的基因。

在实验室中,我们混合了垫子上的微生物,添加了砷并将混合物暴露在阳光下。光合作用正在发生。微生物同时使用了砷和硫,但首选砷。当我们添加微量的有机物时,将不同的砷化合物用于呼吸作用,并且优于硫。

剩下的一切只是为了证明在现代叠层岩中可以检测到两种类型的砷。我们回到法国,并使用X射线发射技术从智利样本中绘制了化学图。我们执行的每个实验都支持 剧烈的砷循环 在这种独特的现代叠层石中没有氧气。毫无疑问,这证实了以下观点:我们在2014年研究的澳大利亚化石样本证明了我们年轻星球深层活跃的砷循环的证据。

与贫瘠海岸和山的非常浅水区在背景中。

Laguna La Brava比地球上的大多数地方更靠近火星环境。图片通过 彼得·维舍/ 对话.

地球上的答案,火星的线索

阿塔卡马的严酷条件与火星和早期地球环境非常相似, 美国宇航局的科学家和天体生物学家转向阿塔卡马 回答有关生命如何在地球上开始以及如何在其他地方开始的问题。我们在拉古纳拉布拉瓦(Laguna La Brava)发现的砷循环垫为有关生命的一些最基本问题提供了有力的线索。

登上2020年火星 恒心漫游者 目前正在穿越太空的一种仪器可以使用 与制作元素图完全相同的过程。也许它将发现火星上层状岩石中富含砷,这表明火星上的生命也使用了砷。十多年来,它在地球上一直如此。在最严酷的条件下,生活找到了方法,而且就是这样 我们正在努力了解.

彼得·维舍,海洋科学教授, 康涅狄格大学; 布伦丹·保罗·伯恩斯, 高级讲师, 新南威尔士大学金伯利·加拉格尔,化学副教授, 昆尼皮亚克大学

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底线:微生物垫在大气中存在氧气之前已经存在了十亿年。新的研究表明,砷是古代光合作用和呼吸作用的化学选择。

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