发现最古老的3D保存微生物

研究人员有史以来第一次能够研究大约15亿年前进化早期的微生物形态。这些微生物对于我们了解早期生命的发育非常重要。

来自柏林工业大学、乌克兰国家科学院、柏林自然历史博物馆和卢森堡国家自然历史博物馆的研究人员在日托米尔市(乌克兰)附近的沃林石英矿矿物中发现了迄今为止地球上最古老的、三维保存的微化石。研究结果发表在《生物地球科学》杂志上。

它们的原始形状由一层微米薄的硅酸铝层保存下来，这层硅酸铝层只能在一系列特殊的地质条件下形成。此前大多数前寒武纪微生物的证据都是基于间接方法，例如岩石中的特征印记或生物降解产物的检测。

“令人着迷的是，我们第一次能够在扫描电子显微镜下研究原始微生物的化石。我们实际上是在研究矿井中的绿柱石和黄玉。我们现在发现的东西比任何宝石都更有价值，”柏林工业大学应用地球科学研究所名誉教授GerhardFranz博士解释道。

这是因为这些发现是第一批微生物化石，其历史可以追溯到所谓的“无聊的十亿年”，即前寒武纪革命之前的第一个看似平静的十亿年。“直到大约六亿年前，进化才产生了由碳酸钙或磷酸盐制成的骨骼;出现了蛤、珊瑚或蜗牛等无脊椎动物，然后出现了有脊椎的脊椎动物。由于这种生物矿化，真正具有可保存骨骼的化石才成为可能。”

由于六亿多年前，生物体没有骨骼，因此它们实际上无法保存其形态，这就是为什么我们对这一时期知之甚少。主要仅在沉积岩中，即以前海底的沉积物中，保存了微生物的碳残留物，然后通过数百万年的机械变形而被破坏。仅仅因为生命形式更喜欢较轻的碳同位素12C而不是较重的碳同位素13C，才可以推测这曾经是生物材料。

直到最近，研究人员才首次在澳大利亚岩石中发现了胆固醇等生物化合物，这些化合物已有15亿年的历史，直接表明了原始生命形式。在其他岩石中，早期微生物只留下了微弱的印记，很难辨别它们的形态。

原始微生物的第一张图像：细丝、球体和触手

“我们现在在电子显微镜下看到的大部分是纤维结构。要么是分支的细丝，要么是具有小突起或凹痕的粗丝，”弗朗兹解释道。这些物体的厚度在10至200微米之间变化，长度可达数毫米，有时中间有一条细细的通道。

这意味着这些原始微生物也可以用肉眼看到。尤其令人兴奋的是，研究人员还发现了一些以前未知的微生物形式。它们具有贝壳状或球形结构或触手状分支。

一些生物化石类似于真菌

“通过分析碳同位素12C和13C，我们还能够证明我们的发现物一定曾经是活的生物，”弗朗兹解释道。使用特殊的同位素方法测量了这些发现的年龄，得出化石的最小年龄为15亿年。研究人员还使用红外光谱检测了某些丝状物体中的壳聚糖物质，并使用电子显微镜检测了元素铋和碲。

“这一切都表明存在一种类似真菌的生物体，”弗朗兹说。然而，这仅适用于部分发现，他补充道。“从其他化石微生物来看，我们至少可以假设它们一定是具有不同细胞结构的单细胞或多细胞生物。”它们可能与真菌生活在一个共同的生态系统中。

间歇泉保存着地下生命

石英矿花岗岩岩石上原始微生物化石的位置表明了它们的生活方式以及它们保存状态异常良好的原因。“即使在今天，微生物也能在地壳深处三公里处生存，”弗兰兹解释道。它们在那里生活——没有阳光——依靠磷、氮或二氧化碳等物质，其中一些溶解在水中，并通过裂缝和缝隙从上方向下迁移，或者已经存在于那里。

微生物从矿物质的化学过程中获得新陈代谢所需的能量。在沃林石英矿的花岗岩洞穴中，这种微生物菌落显然在15亿年前就已经存在于地球表面附近。并且由于花岗岩中含有大量的氟，在地下与水和热相互作用形成具有强腐蚀性的氢氟酸，溶解了大量的铝和硅。

这种溶液像间歇泉一样，时不时地喷入洞穴，在微生物上覆盖一层微米薄的硅酸铝。“当然，微生物因此死亡，但它们也被完美地保存下来，”弗兰兹说。

发现的历史

“正如科学中经常发生的情况一样，我们的发现的历史很大程度上归功于巧合，”他报告道。“我的前任KlausLanger教授在改革时期发起与乌克兰合作的主要原因是为了支持仍然年轻、独立的乌克兰的研究人员。在Volyn石英矿中发现的有趣宝石给工作组带来了一个惊喜。”

几年后，当弗朗兹开始担任新任学术主席时，有一天，他在电子显微镜下检查绿柱石时发现了一些奇怪的纤维。多年来，在来自不同博物馆的岩石样本的帮助下，这一发现就是这样展开的。

“尽管如此，今天我们才刚刚开始。进一步的调查和可能的新发现将能够告诉我们更多关于原始微生物的信息，特别是关于大陆上以前未知的微生物形式，而不仅仅是海洋中的微生物，”弗朗兹说。

这可以为地球上生命的早期发展提供新的见解，也可能为其他行星上极端条件下生命的发展提供新的见解。

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