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最早练就”光合大法“的竟然是它?!

提到化石,可能大家都会想到恐龙蛋之类的大块头,不过,有一些顽强的生命,它们虽然非常微小,但是也能够在地质记录中完整地保存下来,形成化石。蓝藻微化石就是其中的一种。

蓝藻(或蓝藻细菌 Cyanobacteria ),曾用名包括绿氧菌(chloroxybacteria)、蓝绿藻(blue-green algae)、蓝绿细菌(blue-green bacteria)等。它既非典型的细菌也非典型的藻类,属于原核生物类群,没有真正的细胞核、叶绿体或线粒体,但它却与有核或真核藻类以及高等植物类似,能够利用水和太阳光将二氧化碳转变成有机物,同时释放出氧气。

1 蓝藻细胞结构示意图(修改自 https://en.wikipedia.org/wiki/Cyanobacteria

那么,这么小的化石,连人的肉眼都看不到,科学家们是怎么找到它们的呢?即使找到了,我们又怎么去研究这么小的东西呢?

蓝藻微化石在哪儿?如何研究蓝藻微化石?

科学家们发现,蓝藻在生前或者死后能够被矿物充填,这样就能保证其形态不易被破坏,从而保存下来,它的祖先甚至可以追溯到35亿年前。

蓝藻微化石最常见于燧石中(图2),而在白云岩、砂岩、石灰岩等岩石中很少保存下来。由于它们个体微小,人们很难用肉眼识别出岩石中的蓝藻微化石。因此,科学家们会采取大量富含有机质的叠层状燧石(暗色或黑色),经过实验室加工处理之后在显微镜下寻找蓝藻化石的踪迹(有时,不到两斤的燧石能够满足一个硕士论文的研究)。

2高于庄组叠层状燧石野外照片,蓝藻微化石或许就藏在燧石的暗色或者黑色部分里

蓝藻微化石大多保存于地质历史时期的岩石记录中,因此,科学家们主要通过抛光岩石制作岩石薄片(地质学家用于研究岩石中单个矿物特征)来对其进行原位观察及分析,包括:形态、元素、同位素以及分子结构等。而研究蓝藻微化石的工具,可以有显微镜、纳米二次离子探针、二次离子探针,以及拉曼光谱等等。

科学家在蓝藻微化石中看到了什么?

和很多其它的科学发现一样,蓝藻微化石的发现也可以说是历经重重困难。通过在光学显微镜下对大量不同类型岩石薄片的观察,科学家们最终在中国北方高于庄组地层(~1500 Ma)中发现了保存完好的蓝藻微化石,主要为色球藻目和颤藻目蓝藻(图3)。

扫描电子显微镜(SEM)观察揭示,保存这些微化石的基质为二氧化硅。透射电子显微镜(TEM)进一步证实,亚球形纳米二氧化硅颗粒充填了石化蓝藻的细胞壁及鞘体。通过这些研究,科学家们认识到,蓝藻微化石的细胞壁及鞘体并非光学显微镜下观察到的连续结构,而是一种类锯齿状结构。这些超微结构信息可以作为石化蓝藻与基质矿物同源性的一个重要指示,也能够作为一种生物特征,有助于地球早期生命遗迹的寻找。

3高于庄组燧石中不同蓝藻微化石的图片(比例尺为10微米)

此外,共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)是微化石形态学及分类学研究的最新研究手段之一,能够提供这些蓝藻微化石的基于荧光的高分辨率三维图像,使石内微化石的三维结构观察成为可能,极大地帮助了其物种的鉴定。

基于多种显微镜下的观察,科学家们利用纳米二次离子探针(NanoSIMS)技术展示了代谢关键元素(如碳、氮、硫等)在高于庄组蓝藻微化石结构上的分布特征;利用二次离子探针(SIMS-1280)首次提供了高于庄组单个球状微化石的高精度原位碳同位素(δ13C),这些技术手段能够让我们了解地质历史时期微生物的代谢方式,也就是说,我们有望掌握地球早期生命的生存方式。

事实上,微化石的蚀变程度对于其埋葬过程研究至关重要,为此,科研人员利用拉曼光谱获取了高于庄组蓝藻微化石的谱学信息,认为高于庄组蓝藻仅仅遭受了轻微的蚀变,这并没有影响它原始分子结构特征的保存。

蓝藻微化石是如何埋葬的?

经研究,科研人员推测了蓝藻的三阶段埋葬模型:第一阶段,来自大陆风化或热液喷口的二氧化硅溶解于蓝藻栖息的海水中,导致溶胶的形成,蓝藻正是在降解之前被这种溶胶所包裹;第二阶段,在封闭环境中,由于蒸发作用,溶胶逐步转变为凝胶状态,在一定温度(不高于215-308℃)条件下,燧石从凝胶中的快速结晶保证了古老蓝藻保存的完整性;第三个阶段,海平面的波动导致了二氧化硅和碳酸盐的交替沉淀,最终形成了含微化石的叠层状燧石,有效抵制了后期的成岩蚀变。

虽然蓝藻非常微小,但是关于蓝藻微化石的研究却意义重大。通过对这些微化石的研究,科学家们能更深入理解古老地层中微生物化石的形成及保存,同时,为古老蓝藻微化石的寻找及鉴定提供有价值的标准,促进地球及地外生命起源及演化研究。不仅如此,蓝藻还能够为古环境研究提供重要的参考,尤其是地球早期环境的转变等。

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