地球上最古老的热液喷口发现早期生命迹象

本文转载自“微生态笔记”，己获授权。

前言：

我们的地球大约形成于46亿年前，而早期生命(微生物)何时出现于这个星球一直是科学家十分关注的科学问题。以往的研究表明，在地球形成的短短10亿年后，微生物就已经出现并逐步占据了这个星球整整36亿年。这篇文章的研究再一次把这一时间向前推进了1.7亿年，也就是说，37.7亿年前的海底热液口就已经存在了生命活动。在漫长的岁月中，微生物与地球环境配合默契，构成了人类赖以生存的生物圈。直至今日，它们仍在一如既往地改造我们的生存空间，默默缓解着人类给地球带来的压力。因此，认识和保护它们也就是保护我们自己的家园。

标题：Evidence for early life in Earth’s oldest hydrothermal vent precipitates

期刊：Nature

年份：2017

第一作者：Matthew S. Dodd 伦敦大学学院

通讯作者：Dominic Papineau 伦敦大学学院

摘要：

虽然地球上的生命从何时何地开始尚不清楚，但研究普遍认为海底热液喷口可能是最早的生命宜居环境之一。最近在加拿大魁北克距今有37.7-42.8亿年历史的Nuvvuagittuq绿岩带的铁质沉积岩中发现疑似微生物化石。化石结构以微米尺度的赤铁矿管状和丝状呈现，其形态和矿物组合与现代深海热液喷口附近堆积物中的丝状微生物，以及一些年龄较小的岩石中的微化石类似。碳同位素显示Nuvvuagittuq岩石中的碳酸盐和含碳物质富轻碳同位素，其中的含碳物质主要是位于成岩碳酸盐花环中的石墨包裹体，另外磷灰石穿插生长在碳酸盐花环和磁铁矿-赤铁矿颗粒中，与微化石直接接触。总的来说，这些观察结果说明生物质是氧化态的，也为37.7亿年前海底热液环境中存在生命活动提供了证据。

背景：

由于岩石经过强烈的变质作用，目前全球已经确认的微生物化石没有超过35亿年的。因此，对于更古老的岩石的研究主要集中在化学痕迹上，多依靠同位素手段来测定含碳物质的同位素组成，但对于富轻碳同位素的还原性碳的起源的还存在争议。一种认为是生物成因，比如在格陵兰西南部约37亿年的Isua地表带中的片岩含有8.8%的¹³C亏损的石墨碳，这种亏损归因于生命活动；然而，化学反应如非生物脱碳反应和费-托合成可以产生具有相似碳同位素组成的还原碳，所以非生物学解释也是可能的。在格陵兰西南部约38.3亿年的Akilia地表带铁建造中，由于磷灰石外层包裹的石墨晶体内存在指示生物相关的重要元素，所以被认为是生物质经过变质作用的产物；然而，也有人提出了Akilia铁建造中的部分石墨是变质流体沉积形成的。在Nuvvuagittuq地表带（NSB），也发现了覆盖在磷灰石上的结晶程度低的流体沉积石墨，说明在流体活化运移和高级变质作用过程中形成了非生物成因的磷灰石- 石墨。

本次发现微生物化石的Nuvvuagittuq地表带是地球上原始基性洋壳的碎片。Nuvvuagittuq地表带主要由枕状变质玄武岩和一系列的化学沉积单元构成，包括铁建造和少量碧玉岩（含有赤铁矿和磁铁矿的石英岩）以及含碳酸盐的铁建造。锆石U-Pb测年显示Nuvvuagittuq地表带的侵入岩的年龄为37.74亿年-37.51亿年，被认为是该地表带的最小年龄，而¹⁴⁶Sm-¹⁴²Nd测年显示变质玄武岩年龄为42.8亿年。Nuvvuagittuq地表带拥有地球上已知的最古老的铁建造之一。铁建造具有海水化学特征并且含有重铁同位素组成，与火山喷发的热液流体中沉淀的铁建造具有相似的铁同位素组成。 NSB碧玉岩和碳酸盐铁建造的全岩稀土元素数据，尤其是Eu正异常，表明形成与海底热液活动有关，同时岩石中保存良好的20-3000μm黄铜矿晶体（Extended Data Fig.3a）表明没有经过沉积后氧化作用。

以下内容是对岩石中的特殊结构和矿物成分做的详细介绍：

1.赤铁矿管状和丝状结构

现代热液沉积物中含有能形成独特的管状和丝状结构的Fe氧化细菌，因此将在古代的碧玉岩中发现的形态上类似的管状和丝状看作是在高温和高压中保存下来的生物印记，碧玉岩中丰富的微晶石英可能提供了有力的保护，这样变形和变质作用就不会消除由赤铁矿形成的沉积和成岩结构。NSB碧玉岩中的赤铁矿细丝直径在2-14μm之间，长度可达500μm，表现形式多样，如分散线圈，分叉状，以赤铁矿为中心的辐射状。NSB细丝（图1a-d）的形态和成分类似于显生宙海底热液成因的碧玉岩中常见的细丝，如来自挪威Løkken（参见补充信息;大约4.8亿年;图1b ）和美国加利福尼亚FranciscanComplex（约1.85亿年）中的细丝。 同时，NSB细丝也类似于在现代低温热液喷口中发现的铁氧化细菌丝状体。由于现有的单个的或是组合的非生物机制都不能解释为什么会形成以单个赤铁矿为生长点，以不同角度向四周辐射的赤铁矿管以及不同形态的丝状体，而且空间上与碳酸盐和石墨碳紧密接触，所以有理由相信NSB带中的疑似微生物化石是生物成因的。在NSB碧玉岩内的赤铁矿管和细丝很可能是细菌外鞘和胞外丝状体的矿化遗迹。丝状体在脱离细胞后，可能被羟基氧化铁或二氧化硅包裹，随后在热液喷口的反复喷发循环中不断的被二氧化硅和羟基氧化铁交替涂覆，产生比初始结构更厚的丝状结构。剩余的来自细胞残体的含碳物质形式被保存在碳酸盐中，与丝状体相连接。

图一 赤铁矿的丝状结构

图二 赤铁矿的管状结构

2.碳酸盐环，磷灰石和含碳物质

如果铁建造的形成有生物过程参与，那么其中含碳物质的缺失可能是由于光合铁还原微生物将三价铁与细胞分离从而使绝大部分的含碳物质没有参与到沉积过程中。如果含碳物质进入到沉积物中，就会发生以下反应而被氧化：

CH₃COOH+8Fe (OH) ₃+2H₂O → 8Fe²⁺+2HCO₃^- +22OH^- +8H⁺

这一反应的结果是含碳物质被氧化成碳酸盐，并将不溶性三价铁还原成可溶性亚铁，然后沉淀出含铁的碳酸盐，含亚铁的硅酸盐和磁铁矿。澳大利亚西部24.7亿年前的Brockman铁建造就是个很好的例子，在岩石中发现碳酸盐菱面体出现在浸染状含碳物质与碳酸盐花环混合层中。在NSB铁建造中也发现了类似的花环结构（图3）。不管是NSB和古代的碧玉岩，还是现代的热液喷口沉淀物，通常都保存着赤铁矿环。在Lau盆地形成的现代水铁矿环与微生物细丝密切相关，但也可能是非生物沉淀的结果。例如在Løkken碧玉岩中，赤铁矿环就是非生物成因的。这种结构可能需要微量化学Eh-pH梯度首先还原三价铁，接着是二甲铁的迁移和氧化以及重新沉淀为赤铁矿。鉴于在现代热液排放沉淀物中，赤铁矿环与微生物细丝的紧密相连，所以赤铁矿环很可能是微生物含碳物质作为还原剂，水铁矿作为氧化剂形成的。

在NSB中富含碳酸盐的铁建造（图3）中，含铁方解石的亚球状环（补充表8）具有直径约为50-200μm的石英核。某些碳酸盐环含有磷灰石包裹体，而且被数百微米长的磷灰石板条切割（图3g），而针状硬绿泥石又切割了碳酸盐环和磷灰石（图3），说明磷灰石和花环是变质前的产物。在铁建造中富轻碳同位素的碳酸盐（-15至 - 5‰）来源于生命活动产生的轻碳物质的氧化。NSB碧玉岩的δ¹³Ccarb和δ¹³Corg值分别为 - 8.3～- 6.7‰和 - 25.7～- 19.7‰，极有可能是生物成因的。在NSB带中，穿插生长在含有石墨包裹体的碳酸盐中的磷石灰板条中的磷元素可以指示石墨中的碳是生物来源的。在现代海洋沉积物中，海底含碳物质的累积可能通过生物代谢而浓缩磷。此外，一些NSB碳酸盐花环中磷灰石的存在类似于晚古元古代繁盛的微生物的生态系统产生的叠层石磷灰石柱之间的磷灰石花环。虽然类似于碳酸盐环的结构可能在开放空间和空腔中形成，但是形成这些碳酸盐铁建造的前体条带状硅质碳酸盐凝胶不可能有多孔结构，因此通过开放空间填充形成碳酸盐花环这一点可以排除。比如在Løkken碧玉岩（Extended Data Fig。6j-m）中，形态上类似的，已成岩的含石墨的碳酸盐环的存在就加强证实了这一结论。将所有观察到的结果综合到一起，比如丝状微化石的发现，及其与碳酸盐和石墨碳的直接关联，以及其他诸多支持NSB中生物活性的观察结果，很好地支持了碳酸盐环由生物质的氧化形成这一解释。

图三 NSB中的碳酸盐环

3.颗粒

磁铁矿镶边颗粒在古元古代晚期的铁建造中很常见，通常出现在叠层石柱和微化石主体之间。 已知的最老的粒状铁建造来自南非Mozaan群，年龄约为29亿年，其特点是含有磁铁矿镶边颗粒，富轻碳同位素，从零到正的δ⁵⁶ Fe值，这些都表明有铁氧化微生物参与。与碳酸盐铁建造和含有微化石的条带状碧玉岩一起出露地表的碧玉岩中有类似的100-500μm大小的球形、亚球形颗粒出现。这些颗粒出现在燧石基质中（图4C），，边缘包裹粗粒磁铁矿，颗粒内部是比基质粒度粗的石英颗粒。微拉曼图像显示这些颗粒包含微米尺寸的铁滑石，磁铁矿，方解石，赤铁矿，磷灰石和含碳物质（图4d）。颗粒内含碳物质的包裹体尺寸为1-4μm，在约1,560-1,580cm^-1处显示出主要的拉曼峰和较宽较弱的可分辨D-峰（图4e）。在与古元古代晚期的Biwabik铁建造（图4a）和Løkken碧玉岩中也发现了粒度（200-400μm）和矿物组合相似的颗粒。所有这些碧玉岩颗粒中的含碳物质通常与微米尺寸的成岩碳酸盐颗粒相接触或者涂覆在其表面。这种密切的空间关联和成岩颗粒中富集的含碳物质的出现表明这种含碳物质是一个基本矿物相。

该研究团队认为这些碧玉的氧化铁颗粒的矿物成分反映了氧化还原反应。该模型暗示含碳物质和三价铁是原始反应物，而含三价铁或亚铁的硅酸盐，磷灰石，磁铁矿和碳酸盐被认为是反应产物。鉴于在Biwabik，Løkken和NSB碧玉岩中普遍存在花环、颗粒和丝状微化石的形态，矿物学特征和成分类似，推测这些成岩反应发生过程也类似。这一结论和的一些颗粒物中完好保存的微化石的发现表明Nuvvuagittuq海底此类岩石的微生物成因。

图四 颗粒

结论：

NSB中由生物质氧化形成的成岩花环和颗粒中保存的含碳物质和矿物，以及无论是矿物学还是形态学上都与年轻碧玉岩中类似的管状微化石的存在，揭示了早在37.7亿年-42.8亿年前生命在海底热液喷口附近已经建立了栖息地。根据化学和形态学证据，管状和丝状极有可能是铁代谢丝状细菌的遗迹，因此代表了地球上已知的最古老的生命形式。鉴于来自NSB的新证据，古代的海底热液喷口系统可以被视为地球上生命起源的潜在地点，以及寻求外星生命的主要研究对象。

参考文献：

Dodd M S, Papineau D, Grenne T, et al. Evidence for early life in Earth’s oldest hydrothermal vent precipitates[J]. Nature, 2017, 543(7643): 60-64.

论文链接（点击查看原文）：

https://www.nature.com/articles/nature21377

中国科学院生态环境研究中心

环境生物技术重点实验室

邓晔 研究员课题组发布

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