美国国家航空航天局（NASA）支持的科学家研究了微生物生命与地球环境之间错综复杂的长期联系。通过回顾微生物学、分子生物学和地质学等领域的知识现状，该研究探讨了微生物是如何塑造地球海洋、陆地和大气层的化学特性，又是如何被这些化学特性所塑造的。该研究结合了多个研究领域的数据，讨论了如何不能孤立地看待来自单一领域的有关地球上生命复杂历史的信息。
了解微生物化石
地球上最早的生命是微生物。今天，地球上的绝大多数生物仍然是由微小的单细胞微生物组成的。虽然微生物种类繁多，但对天体生物学家来说，研究微生物的历史是一项挑战。微生物不会像恐龙、鱼类或其他大型生物那样留下骨骼、贝壳或其他大型化石。正因为如此，科学家们必须寻找不同的证据来了解微生物生命的演化过程。
土耳其萨尔达湖沿岸的岩石是由微生物长期吸附水中的矿物质形成的。这些微生物岩曾经是地球上的一种主要生命形式。资料来源：NASA/JPL-Caltech
为了研究地球上的远古微生物，天体生物学家在岩石中寻找同位素指纹，用来确定远古群落的新陈代谢。新陈代谢是指将食物转化为能量，在所有生物体内都会发生。许多元素（如碳（C）、氮（N）、硫（S）、铁（Fe））都参与了微生物的新陈代谢。当微生物处理这些元素时，它们会引起同位素变化，科学家可以在岩石记录中发现这些变化。微生物还有助于控制这些元素在环境中的沉积和循环，从而影响当地和全球范围内的地质和化学（考虑一下微生物在当今地球碳循环中的作用）。
遗传学和地质学启示
研究远古微生物生命的另一种方法是沿着当今生命遗传学所包含的进化信息进行回溯。将分子生物学中的遗传信息与岩石记录中的地球生物学信息相结合，有助于天体生物学家了解早期地球与早期生命共同进化之间的联系。
关于微生物新陈代谢的地质证据，我们可以从古海底的带状铁层（BIFs）的形成来举例说明。这些由富含铁和硅的沉积物交替组成的多彩层形成于 38 亿至 18 亿年前，与地球上一些最古老的岩层有关。它们呈现的红色是由于含铁量高，向我们展示了在这些岩石形成的 20 亿年里，地球海洋富含铁元素。
土耳其萨尔达湖岸边的许多微生物结构随着水位下降而暴露出来，让科学家得以研究生命与周围环境之间的关系。图片来源：Tim Lyons/UCR
在这项新研究中，研究小组回顾了当前的知识，收集了微生物生命使用的早期新陈代谢、这些新陈代谢进化的时间，以及这些过程如何与地球上的主要化学和物理变化（如海洋和大气的含氧量）相关联的信息。
进化和氧化作用
随着时间的推移，地球上海洋、大气和陆地中的氧气含量发生了巨大变化。这些变化对生物圈和环境的进化都产生了影响。例如，光合生物的活动提高了大气中的氧气含量，为微生物创造了新的生存环境。生命可以获得不同的营养物质来促进生长。与此同时，无法在氧气环境中生存的微生物不得不适应、灭亡，或者想办法在没有氧气的环境中生存，比如地球表面下的深处。
澳大利亚的叠层石化石照片。这些古老的结构是由生活在层状、垫状菌落中的微生物活动形成的。图片来源：NASA/Mike Toillion
这项新研究解释了我们对氧气水平如何随时间和空间尺度变化的理解。作者将不同类型的微生物新陈代谢（如光合作用）映射到这段历史中，从而更好地理解了氧气与地球生命进化之间的"因果关系"。这篇论文为生物圈和地球演化过程中的重大变化提供了重要背景。
生物地球化学循环和进化影响
通过仔细研究地球上不同类型微生物新陈代谢的历史，这篇综述论文展示了地球上的生物地球化学循环是如何在局部和全球范围内随着时间的推移而密不可分地联系在一起的。作者还讨论了我们的知识中存在的限制解释的重大差距。例如，我们不知道地球上年轻的生物圈有多大，这就限制了我们估计地球最早时期各种新陈代谢对全球影响的能力。
同样，当利用遗传信息沿着生命之树回溯时，科学家可以估算出某些基因首次出现的时间（从而推测出当时活细胞中可能使用的新陈代谢类型）。然而，在历史的某一时刻进化出一种新型的新陈代谢并不一定意味着这种新陈代谢是常见的或在环境中产生了足够大的影响，从而在岩石记录中留下了证据。
这是系外行星WASP-39 b（又称Bocaprins）的插图。美国国家航空航天局的詹姆斯-韦伯太空望远镜在2022年11月发布的WASP-39 b分析报告中对系外行星的大气层进行了有史以来最详细的分析。韦伯的近红外摄谱仪（NIRSpec）显示了大气中存在二氧化碳的明确证据，而美国宇航局哈勃和斯皮策太空望远镜以及其他望远镜之前的观测结果表明，大气中存在水蒸气、钠和钾。这颗行星可能有云层和某种形式的天气，但可能没有像木星和土星那样的大气带。这幅图是根据韦伯望远镜以及其他太空和地面望远镜的间接凌日观测结果绘制的。韦伯还没有捕捉到这颗行星的直接图像。资料来源：NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted（STScI）
结论和对地外生命的影响
作者说："微生物生命的历史与海洋、陆地和大气的历史同步进行，我们对早期地球环境的了解仍然有限。"
这项研究还对寻找地球以外的生命具有更广泛的意义。了解生命与环境的共同演化有助于科学家更好地理解行星宜居的必要条件。生命与环境之间的相互联系也为寻找绕遥远恒星运行的行星大气中的生物特征气体提供了重要线索。
编译自/ScitechDaily