生物礦化源于海水的堿化？

查爾斯·崔

地球上許多細(xì)胞生命體的一個關(guān)鍵特征是硬質(zhì)的生物結(jié)構(gòu)，例如由礦物質(zhì)構(gòu)成的動物骨骼和蝸牛殼。

最近，研究人員在加拿大發(fā)現(xiàn)了微體化石。這一發(fā)現(xiàn)不僅將迄今最古老的生物礦化證據(jù)追溯至8.1億年前，還有助于在其他行星上定位查找化石，研究生命體和行星隨時間推移共同演化的方式。

研究人員在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上詳細(xì)介紹了該發(fā)現(xiàn)。他們獲得了美國航空航天局天體生物研究所麻省理工學(xué)院分部的資助，以及美國航空航天局天文學(xué)博士后獎學(xué)金。

多細(xì)胞生物，如動物、植物和真菌都是真核細(xì)胞。真核細(xì)胞具有細(xì)胞核。生物礦化的演變在真核生物史上是一個關(guān)鍵的里程碑，對于地球亦是如此，因為珊瑚礁等生物礦物結(jié)構(gòu)對地球的地質(zhì)狀況產(chǎn)生了巨大的影響。然而，真核生物礦化的早期跡象并未在化石中被清晰記錄，這使得我們難以了解這些生物結(jié)構(gòu)首次出現(xiàn)的時代和環(huán)境。

為了確定真核生物礦化開始的時間，科學(xué)家從加拿大靠近阿拉斯加邊界育空地區(qū)的斯利普山附近收集了大約60米厚的石灰泥巖和黑灰色頁巖樣本。

該研究的主要負(fù)責(zé)人菲比·科恩是一名古生物學(xué)家，任教于馬薩諸塞州威廉斯敦的威廉姆斯學(xué)院。她說：“我們到那里的時候雖然已是6月下旬，但還是很冷，地上的積雪仍未融化。這種情況實際上是有好處的，因為可以從積雪中獲取飲用水。”

研究人員主要研究巖石中的微體化石。這些微體化石產(chǎn)生于10億至5.41億年前的新元古代。科恩說：“發(fā)現(xiàn)這些化石的山坡非常陡峭，巖石大多松散。我們用巖石錘敲擊巖石來收集樣本。這真是一項危險又耗時的工作。”

科恩團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)的微體化石形狀各異，被認(rèn)為是單細(xì)胞海洋真核生物。“我們認(rèn)為，發(fā)現(xiàn)的每一種微體化石都不是獨立的生物體，而是單細(xì)胞的一部分。這些微體化石就如同小裝甲板一樣包圍著圓形單細(xì)胞。”科恩說。

他們使用高分辨率透射電子顯微鏡觀察這些微體化石，發(fā)現(xiàn)它們主要是由磷灰石纖維晶體的復(fù)雜交織網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。研究人員由此得出結(jié)論，這些網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性證實了它們是因生物學(xué)而非地質(zhì)過程產(chǎn)生的。

此外，巖石中錸元素和鋨元素的同位素分析表明，這些化石的年齡約為8.1億年，是迄今發(fā)現(xiàn)的最古老的真核生物礦化標(biāo)本。科恩稱，它們比之前的標(biāo)本要早大約2億年，“真核生物建造復(fù)雜生物礦化結(jié)構(gòu)的時間要遠(yuǎn)早于我們認(rèn)為的時間”。

這些生物體生存的世界與現(xiàn)今大為不同：幾乎所有的生命都存在于水中，動植物都還未出現(xiàn)。但當(dāng)時存在大量的微觀真核生物，其中一些是藻類，類似于今天的紅、綠色藻類，而另一些在現(xiàn)今已經(jīng)沒有了類似物，如科恩團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)的神秘化石。

對化石周圍巖石的分析表明，當(dāng)這些真核生物活著時，海洋發(fā)生了化學(xué)變化，溶解在海水中的磷酸鹽化合物增加。這有助于解釋為何這些生物體可能產(chǎn)生了由磷酸鹽礦物磷灰石構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。科恩表示，當(dāng)生物體及其環(huán)境隨時間演化時，生物礦化就出現(xiàn)了，“我們可以據(jù)此推測生物體會利用這些磷進(jìn)行生物礦化”。

這項研究還有助于在其他行星上定位化石存在的地方。例如，如果尋找主要由磷酸鹽構(gòu)成的化石，科學(xué)家會將重點放在以前或現(xiàn)在富含溶解磷酸鹽的地區(qū)。

科恩說：“我們已經(jīng)了解了很多此類生物礦化化石存在的條件。當(dāng)開始探索像火星這樣的地方以尋找潛在的化石生命證據(jù)時，這會非常有用。”

科恩團(tuán)隊未來的研究會側(cè)重于在世界其他地方尋找此類化石。她說：“我也正致力探索這些化石為什么會在這里被保存下來，以及它們是如何被保存下來的，這將幫助我們在其他地方找到它們，并使我們更多地了解生物礦化化石如何被保存在古老的巖石中。”

“為何近2億年來，我們再也看不到真核生物礦化的現(xiàn)象？” 科恩說，“是因為這些生物體滅絕了嗎？那么，為什么其他生物體沒有進(jìn)化出這種能力呢？是因為海洋化學(xué)條件嗎？日后還有很多諸如此類有趣的問題需要跟進(jìn)。”endprint