古元古代热液喷口火山玻璃中的生痕化石可能由寻找磷酸盐的微生物开掘

隐藏在火山玻璃中的古老线索

数十亿年前，地球海底是一片充满熔岩和热泉的躁动景观。本文研究表明，即便在那样陌生的环境中，微小生命体很可能在新生的火山玻璃中钻孔，寻找关键营养物质。通过解读这些微生物留下的化学与矿物“涂鸦”，这项工作有助于解释早期微生物如何在苛刻环境中生存，并提示在其他世界上寻找生命痕迹的新方法。

玻璃中书写的化石记录

该研究聚焦于加拿大北部贝尔彻群岛弗拉哈蒂组（Flaherty Formation）中年龄为18.7亿年的岩石。这些岩石形成于熔岩喷发入浅海水域，形成球状的“枕状”玄武岩和称为玻璃碎屑的火山玻璃（hyaloclastite）。与这些火山层互层的是古代热液喷口的迹象——烟囱状构造、富铁的锈色团块以及富含碳酸盐的结核——表明曾有高温、富含矿物的流体渗透过海底。此类喷口系统被广泛认为是早期生命的重要栖息地，因为它们提供了微生物可利用的强烈化学梯度作为能量来源。

隐藏生命的微观足迹

在风化的火山玻璃中，作者发现了由微小球状和管状结构构成的网络，称为生痕化石（ichnofossils）——它们记录的是活动痕迹而非保存下来的个体。球体在尺寸上异常一致，通常约14微米，并以串珠状排列，彼此间由一条有机物质的细丝相连。精细成像和微光谱分析显示，这些球体主要由钛石（titanite）与富碳有机物混合组成，而邻近区域含有纳米级的磷灰石（apatite，一种磷酸盐矿物）和赤褐石（lepidocrocite，一种铁氧化物）颗粒。这些矿物的紧密共存以及球体一致的形状与大小，都指向一种起源：微生物在玻璃中钻掘并随后被矿化固定下来了。

在炽热岩石中为营养而钻

富含磷和铁的矿物分布暗示了微生物钻入火山玻璃的具体动机：获取磷——DNA、细胞膜和能量分子必需的成分。许多磷灰石颗粒聚集在球状生痕化石附近但不在其内部，并与有机物和铁氧化物相交生。这一模式最好解释为早期微生物利用有机酸溶解玻璃，释放出极微量的磷和铁。其中一部分磷可能被摄取用于生长，另一部分则与铁一同再沉淀为磷灰石和赤褐石。富含有机质的管状钛石结构以平行群列排列，构成第二类生痕化石，类似于现代与古代热液场所中的微生物管道，进一步支持其生物起源。

古代微生物的碳与硫指纹

除了形态与矿物，岩石还携带着强烈的生命化学信号。无论是有机质还是包裹的方解石中的碳同位素都表现为异常“轻”——与微生物利用无机化合物作为能量来源并在埋藏过程中其生物量被氧化时预期的数值相符。与此同时，来自邻近黑色页岩中黄铁矿（pyrite）的硫同位素展示的模式与微生物硫酸盐还原更为一致，而非单纯的化学反应。综合这些同位素数据表明，化能自养微生物——靠岩石和喷口来源化学物质而非阳光获取能量的生物——曾在这一古老海底环境中活跃，其残骸随后被再循环进入新的矿物中。

这些古老痕迹今日告诉我们的事

单独看，任何一条证据——奇异的矿物形态、异常的碳值或特定的铁与磷酸盐矿物——都可能有非生物的解释。但在弗拉哈蒂组中，它们共同出现、位于恰当的位置并相互关联。研究结论是，微小生物曾在浅水热液喷口附近的热火山玻璃中钻掘，很可能为获取磷和铁以维持以岩石为能量来源的代谢。它们的活动在海底刻下了持久的记录，今天以充填矿物的隧道和球体被保存下来。通过展示如何识别并交叉验证这些微妙痕迹，这项工作强化了将火山玻璃中类似特征作为地球深远过去生命指示物的理由——并作为在其他类岩石行星上寻找生命的潜在指南。

引用: Papineau, D. Ichnofossils in volcanic glass from palaeoproterozoic hydrothermal vents were burrowed by microorganisms probably seeking phosphate. Commun Earth Environ 7, 361 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03359-5

关键词: 古代热液喷口, 微生物生痕化石, 火山玻璃风化, 早期地球生命, 寻磷微生物