地球科学家揭示了8亿年前生命的进化

经过弗吉尼亚理工大学

采自华北克拉通的碳酸盐岩样品。鸣谢:照片由弗吉尼亚理工大学的Christina Franusich拍摄

硝酸盐对藻类、花卉，甚至你的邻居都有责任吗？弗吉尼亚理工大学的一组地球科学家挖掘出了可能表明答案是肯定的证据。

该小组的发现最近发表在科学进展，揭示了在海洋真核生物——其细胞具有细胞核的生物——占主导地位的时期，生物可利用的氮增加了。复杂的真核细胞演变成多细胞生物并且被认为开创了地球生命的一个全新时代，包括动物、植物和真菌。

“我们今天所处的位置，以及地球上的生命，是过去发生的所有事件的总和，”沉积地球化学副教授、论文合著者本·吉尔(Ben Gill)说。“这是一个关键事件，我们从占主导地位的原核生态系统——比我们体内的细胞简单得多的细胞——转向真核生物。如果没有这种情况，我们今天就不会在这里。”

此前的研究主要集中在磷在真核生物崛起中的作用，但地球科学系博士生、论文第一作者康俊耀对氮在这一事件中的作用感到好奇。

“这一数据是独一无二的，因为从新元古代早期，即10亿至8亿年前，氮同位素数据实际上是不存在的，”康说。

与中国南京的南京大学合作，康花了两年时间，通过对华北克拉通岩石样品的氮同位素分析，研究是什么驱动了真核生物的兴起。该地区是38亿年前岩石的家园，曾经被海洋覆盖。

“我们对真核生物何时变得生态成功有一些粗略的想法，”地球生物学教授、论文合著者肖说。“它们在那里以低调的状态存在了很长时间，直到大约8.2亿年前，它们变得丰富起来。”

康决定他想知道为什么。他从岩石样本中提取数据，将其输入一个更大的数据库，并在跨越不同地理位置的更长时间范围内进行分析。

“一旦我们做了这种整合，并把它放到一个大的图片中，我们就可以看到硝酸盐随着时间的推移而增加，这发生在大约8亿年前，”康说。

稳固的合作

一个国际合作的方法是将这些新数据与生物学事件联系起来的关键，尤其是真核生物的崛起。

Gill和Rachel Reid也是科学学院的地球化学家，也是这篇论文的共同作者，他们通过资源提供了重要的分析，包括弗吉尼亚理工大学地球科学稳定同位素实验室的质谱仪。元素分析仪，连接到质谱仪允许研究人员从样本中提取纯氮气进行分析。

吉尔专门研究重建地球上现在和过去的化学循环。他与古生物学家合作，研究地质记录中保存的生命记录，并研究历史上哪些潜在的环境驱动因素可能导致了生命的变化。

里德通常将研究重点放在地球最近的事件上，她有一个特殊的机会来提供氮同位素方面的专业知识古代化石.

南京大学的地球化学家张菲菲是这篇论文的第四位合著者。张提供了关于硝酸盐含量增加时海洋中氧气含量的见解。

所有弗吉尼亚理工大学的作者都是福林生命科学研究所全球变化中心的附属成员，其中康是全球变化界面研究生项目的博士研究员。该中心汇集了来自不同学科的专家，以解决这些复杂的全球性挑战，并培养下一代领导人。

过去、现在和未来

肖曾帮助挖掘和研究世界各地的一些最古老的化石，他说这种类型的研究给了他未来发现的希望。这团队成员期待在未来的拨款上与NASA合作，比如支持他们当前研究的外星生物学项目。

他还赞扬了弗吉尼亚理工大学图书馆对开放存取出版物的支持，比如科学进展，向读者免费提供经过审查的研究精选。

“我们可以将古代氮同位素组成中的点联系起来，然后进行下一步，推断生物体可以获得多少硝酸盐，”肖说。“然后我们把它与化石数据联系起来，以显示这种关系。”

虽然古代海洋早已消失，但古代海洋中发生的事情被记录在岩石中，研究这些岩石提供了从我们地球的历史到现在和未来的联系。

“地质学家研究岩石的原因与股票交易员在决定买卖股票时研究道琼斯曲线的原因相同。写在岩石上的地质历史为我们提供了未来全球变化的重要背景，”肖说。

更多信息:康俊耀等，新元古代早期海洋的硝酸盐限制延缓了真核生物的生态崛起，科学进展 (2023). DOI: 10.1126. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade9647