37亿年前海洋碎屑沉积物中多样厌氧代谢的证据

通往地球最早生命的古老线索

在格陵兰的基岩深处，有一个来自37亿年前的时光胶囊——这些岩石保存着地球上已知的一些最古老的生命痕迹。本文提出了一个看似简单但意义重大的问题：那些最早的海底群落是否已经像今日泥沙中的微生物那样，使用多种无氧“呼吸”策略？答案有助于我们理解生命多样化的速度、它如何影响幼年行星的海洋与大气，以及我们在其它行星上可能寻找何种生物特征。

平静的海底，富含生命残骸

所研究的岩石来自格陵兰西南部的伊苏阿超壳带，是地壳中最古老的幸存片段之一。那时，这一带是一个安静的深海盆地，细小颗粒自海面缓慢下沉，沉积成薄而平缓的层理。间或有来自近处高地的粗粒水下雪崩（即浊积岩）涌入。这些沉积物富含古老的富碳颗粒，如今已转变为石墨，先前研究已将其与表层海洋中的光合微生物联系起来。换言之，这片海底持续被早期、出乎意料地高产的生物圈残骸所覆盖。

无氧呼吸：铁与甲烷的角色

在当今，大部分抵达海底的有机物由“呼吸”氧气的微生物分解。但当氧气耗尽，微生物会转而使用其他化学电子受体，如硝酸盐、铁或硫酸盐。作者测定了伊苏阿沉积物中的碳同位素比，以判定这些古老有机物的加工方式。他们在某些层位发现了异常偏轻的碳信号——比单纯光合作用预期的更轻。这一模式符合有机物和甲烷被海底的厌氧微生物分解的情形。在铁含量特别高的层位中，最轻的碳值与高铁/碳比相对应，指向以氧化铁作为主要“替代氧”并在消耗有机化合物时将其还原的微生物活动。

不可见微生物活动的硫痕

铁并不是唯一的主角。研究团队还分析了微小的硫化物矿物颗粒，如磁黄铁矿和黄铁矿，这些矿物主要出现在细粒、富碳的远洋沉积层中，而非粗粒的浊积岩中。岩相纹理——如沿层理薄薄的硫化物条带和同心状黄铁矿结核——表明含硫矿物是在沉积早期、反应性流体穿过沉积层时形成的。通过对单颗粒进行精确的硫同位素测定，研究者显示大多数硫保有明显的大气印记，最初来自在无氧早期大气中阳光分解二氧化硫产生的单质硫和硫酸盐。等位素模式表明微生物可能将单质硫还原，有时也还原局部补给的少量海水硫酸盐，产生的硫化氢随后与铁反应形成硫化物矿物。

层状的微生物生态位格局

通过将碳、硫同位素与铁浓度剖面和矿物纹理结合，研究重建了古老海底下一个动态的化学景观。富铁层与富有机层常常相互邻近，形成了不同代谢策略能并存的微环境。在三价铁丰富的区域，铁还原微生物似乎占主导地位。在沉积累积较慢且流体交换较强的地带，以硫为基础的呼吸以及对稀少硫酸盐的近完全还原更为重要。由发酵者和产甲烷古菌在更深处产生的甲烷可能向上渗出，并被使用铁或硫作为氧化剂的其他微生物消耗，进一步使碳同位素信号偏轻。

对早期生命故事的意义

对非专业读者而言，关键结论是：到37亿年前，地球的海底并非一个单一路径的简单生态系统。相反，它已经承载着一个相互作用的微生物群落网络，这些群落可以在无氧条件下利用铁、单质硫和硫酸盐生存，同时循环有机物和甲烷。这些发现将复杂、多样化的微生物代谢起源推前到地球历史的非常早期。反过来，这表明一旦生命站稳脚跟，它便迅速进化出一套利用多种化学能来源的工具箱——这对在地球古老岩石乃至其他行星上寻找生命是个令人鼓舞的启示。

引用: Boyd, A.J., Harding, M.A.R., Bell, E.A. et al. Evidence for diverse anaerobic metabolisms in 3.7-billion-year-old marine detrital sediments. Commun Earth Environ 7, 166 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03188-6

关键词: 地球早期生命, 古代海底微生物, 厌氧呼吸, 铁与硫循环, 伊苏阿超壳带