对地球早期生命的理解呈指数级增长

尽管经过了几十年的研究，学者们对生命起源和早期进化仍有许多不了解的地方。加州大学河滨分校的一篇论文为进一步了解和规划未来研究打开了大门，这些研究可能有助于预测气候变化和寻找地球以外的生命。

“这篇论文致力于告知地球科学界下一步的研究方向，”研究期间的加州大学河滨分校博士生兼第一作者克里斯托弗·蒂诺 (Christopher Tino) 说道。

许多研究已经探索了古老岩石中保存的早期生命迹象，但最近发表在《自然评论微生物学》杂志上的这篇论文将这些数据与现代生物的基因组研究以及关于早期海洋、大气和大陆化学演变的最新突破结合在一起。

该论文展示了地球最早的生命形式——诸如产生氧气的细菌和产生甲烷的古菌等微生物如何塑造并受到海洋、大陆和大气变化的影响。

“所有这些的核心信息是，你不能孤立地看待记录的任何部分，”加州大学河滨分校生物地球化学杰出教授、共同第一作者蒂莫西·莱昂斯 (Timothy Lyons) 说。“这是第一次将这些领域的研究如此全面地结合起来，以揭示一个总体叙述。”

这篇论文汇集了生物学、地质学、地球化学和基因组学领域的专家，详细描述了地球早期生命形式从首次出现到崛起成为生态主导的历程。随着微生物数量的增加，它们开始影响周围的世界，例如开始通过光合作用产生氧气。

现任卡尔加里大学博士后研究员的蒂诺表示，各个领域的研究结果往往“惊人地一致”。

具体来说，这项研究追踪了微生物如何消耗、转化和分散地球上的氮、铁、锰、硫和甲烷等关键营养物质。这些生物途径随着地球表面的剧烈变化而进化，有时是因为新生命的出现而进化。大陆出现了，太阳变得更明亮了，世界变得富含氧气。

由于新的生物途径的进化影响了这些元素循环，它们的轨迹告诉我们早期生命形式何时出现，它们如何影响和响应环境，以及它们何时形成全球规模的生态足迹。

数十亿年前的岩石通常缺乏讲述整个故事所需的可见化石，但这项研究结合了这些岩石的化学性质和现存亲属的基因组，形成了对古代生命的全面了解。

“实际上，我们正在描述地球首次与能够改变全球环境的微生物接触，”莱昂斯说，他也是地球和行星科学系另类地球天体生物学中心的主任。“你需要了解整个情况，才能充分了解微生物从单纯的存在发展到对环境产生重大影响的过程中，谁、什么、何时、何地发生了这些事情。”

许多学者认为，一旦某种生命形式出现在地球上，它就会迅速繁衍生息。只有像莱昂斯、蒂诺和他们的同事在这篇论文中所做的那样，通过汇集数十年的跨学科研究，科学家才能看到某些微生物的单纯存在与主导地位之间的区别。通常，从存在到突出需要数亿年的时间。

莱昂斯说：“最初在狭窄的环境中勉强生存的微生物，后来会成为街区里的大佬。”

所有这些都可以归结为一个让 UCR 团队夜不能寐的基本问题：我们从哪里来?

但从这项研究中得到的答案也有更实际的应用，包括了解生命和环境如何应对短期和长远的气候变化。

这项研究还有助于寻找其他星球上的生命。“如果我们要找到地球以外生命的证据，那很可能是基于微生物的过程和产物，例如甲烷和氧气，”蒂诺说。

莱昂斯指出：“我们致力于帮助 NASA 完成其使命，特别是帮助人们了解系外行星如何维持生命。”

参与此项工作的还有麻省理工学院的 Gregory P. Fournier、华盛顿大学及卡尔顿学院的 Rika E. Anderson、达特茅斯学院的 William D. Leavitt、阿尔伯塔大学的 Kurt O. Konhauser 以及华盛顿大学及圣安德鲁斯大学的 Eva E. Stüeken。

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