苏必利尔湖神秘的硫循环：打开地球的历史之窗

苏必利尔湖神秘的硫循环：打开地球的历史之窗一项关于模仿远古地球海洋的苏必利尔湖硫循环的研究揭示了一种新的硫循环，强调了有机硫的作用。这一发现加深了我们对地球早期化学和微生物生命进化的了解。幸运的是，苏必利尔湖缺乏营养的水域为我们提供了一瞥过去的机会。菲利普斯曾是加州大学圣巴巴拉分校和明尼苏达大学德卢斯分校的博士后研究员，她表示，这是一个很好的窗口。她和合著者在湖中发现了一种新型硫循环。他们的研究结果发表在《湖沼学与海洋学》（LimnologyandOceanography）杂志上，重点关注有机硫化合物在这一生物地球化学循环中发挥的作用。了解硫酸盐和硫化氢硫酸根离子（SO4）是环境中最常见的硫形式，也是海水的主要成分。在缺乏氧气的海洋和湖泊底部，一些微生物通过将硫酸盐转化为硫化氢（H2S）来维持生计。硫化氢的去向很复杂：它可以在呼吸过程中被微生物迅速消耗掉，也可以在沉积物中保留数百万年。将硫酸盐转化为硫化氢是一种历史悠久的职业；基因组证据表明，微生物至少在30亿年前就开始这样做了。苏必利尔湖贫硫酸盐的水域可以让人们了解地球早期海洋的生物化学。图片来源：亚历山德拉-菲利普斯但科学家们认为，硫酸盐直到大约27亿至24亿年前才开始变得丰富，当时新进化的蓝藻的光合作用开始向海洋和大气中输送大量氧气。那么，这些远古微生物从哪里获得硫酸盐呢？亚历山德拉-菲利普斯（AlexandraPhillips）是一位海洋和气候科学家，精通海洋学、地球化学和地球生物学。她的研究重点是海洋和湖泊中的有机硫，以及社交媒体如何为STEM领域的女性树立多样化的榜样。菲利普斯还是一名科学传播者和政策官员。有机硫的意义为了解决这个难题，菲利普斯将目光转向了有机硫，即硫与碳化合物结合的分子。这些分子包括硫脂和含硫氨基酸。在现代海洋中，硫酸盐的含量几乎是有机硫的一百万倍。她说："但在一个硫酸盐含量并不高的系统中，突然间有机硫就变得重要多了。"资深作者、明尼苏达大学大湖天文台教授谢尔盖-卡特瑟夫（SergeiKatsev）说："长期以来，我们的思维都被从现代海洋中学到的知识所主导，因为现代海洋富含硫酸盐。Katsev是美国国家科学基金会资助项目的资深科学家。然而，要了解早期地球，就需要研究硫酸盐稀缺时出现的过程，而这正是有机硫能够改变整个范式的地方"。古代海洋的模型苏必利尔湖的硫酸盐含量非常低，几乎是现代海洋的千分之一。菲利普斯说："就硫酸盐而言，苏必利尔湖看起来更接近数十亿年前的海洋，可能有助于我们了解我们无法回到过去直接观察到的过程。早期海洋的硫酸盐含量非常低，因为可用于形成二氧化硫的游离氧要少得多。"大湖是古代海洋的模拟物，使菲利普斯能够看到硫循环在当时类似的化学条件下是如何进行的。她想到了三个问题：如果硫酸盐还原正在发生，是哪些微生物在起作用？如果有机硫为这一过程提供了燃料，那么微生物喜欢哪种类型的化合物？产生的硫化氢会发生什么变化？菲利普斯和她的合作者前往苏必利尔湖，追踪有机硫从源到汇的过程。研究小组从两个地点将水和沉积物样本带回实验室进行分析：一个地点的沉积物中有充足的氧气，另一个地点则没有。硫酸盐还原通常发生在环境缺氧的地方。氧气是一种很好的资源，因此生物在可能的情况下更愿意使用氧气而不是硫酸盐。研究小组利用散弹枪元基因组学寻找带有参与硫酸盐还原基因的微生物。他们在沉积物中硫酸盐含量达到峰值的地层中发现了大量微生物。他们总共发现了八个硫酸盐还原类群。调查有机硫偏好研究人员随后开始确定微生物偏好哪种有机硫。他们为不同的微生物群落提供了不同形式的有机硫，并观察了结果。作者发现，微生物产生的大部分硫酸盐来自硫脂，而不是硫氨基酸。虽然这个过程需要一些能量，但比微生物随后将硫酸盐还原成硫化氢所获得的能量要少得多。硫脂不仅是这一过程的首选，而且在沉积物中也更为丰富。硫脂是由其他微生物群落产生的，它们死亡后会漂到湖底。在回答了"谁"和"如何"的问题后，菲利普斯将注意力转向了硫化氢的去向。在现代海洋中，硫化氢可与铁反应生成黄铁矿。但它也能与有机分子发生反应，生成有机硫化合物。她说："我们发现，湖中有大量的有机物硫化，这着实让我们感到惊讶。有机硫不仅是硫循环的助推源，也是硫化氢的最终汇。新颖的硫循环这种循环--从有机硫到硫酸盐再到硫化氢--对研究人员来说是全新的。菲利普斯说："研究水生系统的科学家需要开始把有机硫作为一个核心角色来考虑。这些化合物可以在苏必利尔湖等营养贫乏的环境甚至远古海洋中推动硫循环。""在硫酸盐含量较高的系统中，这一过程可能也很重要。有机硫循环，就像我们在苏必利尔湖看到的那样，在海洋和淡水沉积物中可能无处不在。但在海洋中，硫酸盐的含量非常丰富，以至于它的行为掩盖了我们的大部分信号，"资深作者、加州大学圣巴巴拉分校生物地球化学家摩根-拉文（MorganRaven）说。"在低硫酸盐的苏必利尔湖工作，让我们看到了沉积有机硫循环的真正动态。有机硫似乎可以作为微生物群落的能量来源，并保存有机碳和分子化石。这些因素结合在一起，可以帮助科学家了解早期硫循环微生物的进化及其对地球化学的影响。"菲利普斯补充说，一些最早的生化反应可能涉及硫。"我们确信，硫在真正早期的新陈代谢中发挥了重要作用。更好地了解硫循环可以让人们了解早期生命形式是如何利用这种氧化还原化学反应的。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1398005.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1398005.htm

NASA“好奇号”火星车抵达期待已久的“含硫酸盐单元”

NASA“好奇号”火星车抵达期待已久的“含硫酸盐单元”在今年夏天跋涉通过一个狭窄的、有沙子的通道之后，NASA的好奇号火星车最近抵达了“含硫酸盐单元”。夏普山的这个长期寻找的区域富含丰富的含盐矿物质。科学家们推测，这些矿物是数十亿年前溪流和池塘的水干涸时留下的。假设这个假设是正确的，这些矿物提供了诱人的线索，说明红色星球的气候是如何--以及为什么--从更像地球变成今天的冰冻沙漠的。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1330389.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1330389.htm

科学家揭开生命起源之谜：海水可能是缺失的磷酸盐来源

科学家揭开生命起源之谜：海水可能是缺失的磷酸盐来源来自剑桥大学和开普敦大学的研究人员通过在实验室中重新创造含有磷元素的史前海水，可能已经找到了解决磷如何成为地球上生命的重要组成部分这一谜题的方法。他们的研究结果发表在《自然通讯》杂志上，表明海水可能是缺失的磷酸盐来源，这表明它可能已经以足够的数量存在，无需特定的环境条件就能支持生命。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1328635.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1328635.htm

科学家发现能将有毒物质变成食物的酶

科学家发现能将有毒物质变成食物的酶现在发表在《自然-化学生物学》上的研究对象是两种海洋嗜热的甲烷菌。Methanothermococcusthermolithotrophicus（生活在65℃左右的地热沉积物中）和Methanocaldococcusjannaschii（喜欢85℃左右的深海火山）。它们通过产生甲烷获得细胞能量，并以其环境中存在的硫化物形式获得生长所需的硫。虽然硫化物对大多数生物来说是一种有毒物质，但它对甲烷菌来说是必不可少的，它们甚至可以容忍高浓度的硫化物。然而，它们的致命弱点是有毒和活性的硫化合物亚硫酸盐，它破坏了制造甲烷所需的酶。在它们的环境中，这两种被调查的生物体偶尔会接触到亚硫酸盐，例如，当氧气进入并与还原的硫化物反应时。它的部分氧化会导致亚硫酸盐的形成，因此，甲烷菌需要保护自己。但它们如何才能做到这一点呢？MarionJespersen与纯化的依赖F420的亚硫酸盐还原酶（Fsr）。黑色的颜色来自于参与反应的所有铁。实验是在厌氧室和人工光源下进行的，以保护酶不受氧气和日光的影响。资料来源：特里斯坦-瓦格纳/马克斯-普朗克海洋微生物学研究所来自德国不来梅的马克斯-普朗克海洋微生物研究所的MarionJespersen和TristanWagner，以及来自凯泽斯劳滕大学的AntonioPierik，现在提供了一个解毒亚硫酸的酶的快照。这种蝴蝶状的酶被称为依赖F420的亚硫酸盐还原酶或Fsr。它能够将亚硫酸盐转化为硫化物--一种甲烷菌生长所需的安全硫源。Jespersen和她的同事描述了该酶的工作原理。Jespersen解释说："该酶捕获亚硫酸盐，并直接将其还原为硫化物，例如，它可以被纳入氨基酸中，因此，甲烷菌不会中毒，甚至使用该产品作为其硫源。他们把有毒物质转化成了食物！"这听起来很简单。但事实上，Jespersen和她的同事们发现，他们所处理的复杂的重叠现象。"亚硫酸盐的还原有两种方式：异化和同化"，Jespersen解释说。"研究中的生物体使用了一种酶，它的构造类似于异化作用的酶，但它使用的是同化作用机制。可以说，它结合了两个世界的优点，至少对它的生活条件来说是如此"。据推测，来自异化和同化途径的酶都是从一个共同的祖先演变而来的。位于不来梅的马克斯-普朗克研究所的马克斯-普朗克研究小组微生物代谢负责人特里斯坦-瓦格纳补充说："亚硫酸还原酶是古老的酶，对全球硫和碳循环有重大影响。这种名叫Fsr的酶可能是这种古老的原始酶的一个快照，是进化过程中一个令人兴奋的回顾"。Fsr不仅开启了进化的意义，而且使我们能够更好地了解海洋微生物的迷人世界。只能在亚硫酸盐上生长的甲烷菌规避了使用危险的硫化物，即它们通常的硫磺底物。"这为研究这些重要的微生物提供了更安全的生物技术应用机会。"瓦格纳说："一个最佳的解决方案是找到一种能够还原硫酸盐的甲烷生成物，它便宜、丰富，而且是完全安全的硫源。"事实上，这种甲烷生成物已经存在，它就是Methanothermococcusthermolithotrophicus。研究人员假设，Fsr协调了这个硫酸盐还原途径的最后一个反应，因为它的中间产物之一将是亚硫酸。"我们的下一个挑战是了解它如何将硫酸盐转化为亚硫酸盐，以全面了解这些神奇的微生物的能力"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1344481.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1344481.htm

科学家发现进化过程中不寻常的新英雄：史前蠕虫搭配黄铁矿

科学家发现进化过程中不寻常的新英雄：史前蠕虫搭配黄铁矿一项新的研究发现，史前蠕虫在海底的穴居活动释放了氧气，促进了奥陶纪生物大分化。地球上最重要的一次生物多样性爆发--3000万年的爆炸性进化变化催生了无数新物种--可能要感谢生命史上最不起眼的生物：蠕虫。根据约翰-霍普金斯大学研究人员发表在《GeochimicaetCosmochimicaActa》杂志上的最新研究成果，史前蠕虫和其他无脊椎动物在海底的挖掘和穴居引发了一连串的事件，向海洋和大气释放了氧气，并帮助启动了大约4.8亿年前的奥陶纪生物多样化大事件。地球与行星科学系助理教授、资深作者玛雅-戈麦斯（MayaGomes）说："想想在今天甚至还不存在的小动物是如何以如此深刻的方式改变进化史的进程的，这真的令人难以置信。"通过这项工作，我们将能够研究早期海洋的化学性质，并重新解释部分地质记录。"为了更好地了解氧气含量的变化如何影响大规模的进化事件，戈麦斯和她的研究小组更新了模型，详细说明了数亿年来氧气增加的时间和速度。他们研究了在一定程度上由挖掘蠕虫造成的沉积物混合与一种名为黄铁矿的矿物之间的关系，黄铁矿在氧气积聚中起着关键作用。黄铁矿在泥土、淤泥或沙子中形成并被掩埋的越多，氧气含量就越高。研究人员在马里兰州切萨皮克湾沿岸的九个地点测量了黄铁矿，这些地点可作为早期海洋条件的代表。即使只有几厘米沉积物混合的地点，黄铁矿的含量也大大高于没有混合的地点和混合程度较深的地点。戈麦斯说，这些发现挑战了以前的假设，即黄铁矿与沉积物混合之间的关系在不同生境和不同时期都保持不变。传统观点认为，随着动物在海底掘洞搅动沉积物，新出土的黄铁矿会暴露在水中并被氧气破坏，这一过程最终会阻止氧气在大气和海洋中积累。混合沉积物被视为氧气水平保持稳定的证据。新数据表明，少量沉积物在含氧量极低的水中混合，会使埋藏在地下的黄铁矿、硫和有机碳接触到足够的氧气，从而启动更多黄铁矿的形成。"这有点像金发姑娘。条件必须恰到好处。你必须有一点混合，让氧气进入沉积物，但又不能太多，以至于氧气破坏了所有的黄铁矿，没有净积累，"文章第一作者、约翰霍普金斯大学博士候选人KalevHantsoo说。当研究人员将黄铁矿与沉积物混合深度之间的这种新关系应用到现有模型中时，他们发现氧气水平在数百万年中保持相对平稳，然后在古生代期间上升，奥陶纪期间出现急剧上升。研究人员说，额外的氧气很可能促成了奥陶纪生物多样性大事件，当时新物种迅速繁衍。戈麦斯说："一直以来，我们都在思考氧气水平如何与历史上进化力量加快、地球上生命更加多样化的时刻相关联。寒武纪时期也曾发生过大规模的物种分化事件，但新的模型让我们能够排除氧气的影响，而把注意力集中在那个时期可能推动进化的其他因素上。"编译来源：ScitechDailyDOI:10.1016/j.gca.2024.04.018...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434168.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434168.htm

大规模灭绝可能是由树根的进化驱动的

大规模灭绝可能是由树根的进化驱动的11月9日，科学杂志《美国地质学会公报》（GeologicalSocietyofAmericaBulletin）报道了关于地球史前一个明显动荡时期的这一新观点的证据。它是地质学领域中最古老和最受尊敬的出版物之一。该研究由IUPUI大学科学学院地球科学校长教授GabrielFilippelli和他的实验室在研究时的一名博士生MatthewSmart领导。"我们的分析表明，树根的进化很可能使过去的海洋充斥着过多的营养物质，导致大量的藻类生长，"Filippelli说。"这些快速和破坏性的藻类繁殖会耗尽大部分海洋的氧气，引发灾难性的大规模灭绝事件。"科学家们在格陵兰岛东部的伊梅尔岛收集岩石样本，这是几个地点之一，其分析提供了对泥盆纪时期湖床化学构成的洞察力。泥盆纪发生在4.19亿至3.58亿年前，在陆地生命进化之前，以大规模灭绝事件而闻名，据估计地球上近70%的生命都在这一时期消亡。该研究中概述的过程--在科学上被称为富营养化--与目前在五大湖和墨西哥湾助长广泛"死亡区"的现代现象非常相似，尽管规模较小，因为来自化肥和其他农业径流的过量营养物质引发了大规模藻类繁殖，消耗了水中所有的氧气。不同的是，这些过去的事件很可能是由树根助长的，在生长期间从土地中提取营养物质，然后在腐烂期间突然将它们倾倒在地球的水中。菲利佩利说，这一理论是基于新的和现有的证据的结合。加布里埃尔-菲利佩利根据对来自古代湖床的石头沉积物的化学分析--其残余物在全球范围内持续存在，包括研究中使用的来自格陵兰岛和苏格兰东北海岸的样本--研究人员能够确认之前确定的磷水平升高和降低的周期，一种在地球上所有生命中发现的化学元素。他们还能够根据根系生长引起的"风化"--或土壤形成--的迹象来确定湿润和干燥的周期，风化程度越高，表明根系越多的湿润周期，风化程度越低，表明根系越少的干燥周期。马修-斯马特最重要的是，研究小组发现干燥周期与较高的磷含量相吻合，这表明在这些时间里，垂死的根系将其营养物质释放到地球的水中。"窥视3.7亿年前的历史并不容易，"斯玛特说。"但是岩石有很长的记忆，地球上还有一些地方你可以用化学作为显微镜来揭开古代世界的神秘面纱。"鉴于磷循环与第一个树根的进化同时发生--这是古蕨科的特征，也是第一个长出叶子并达到30英尺高的植物--研究人员能够将树根的腐烂作为泥盆纪灭绝事件的主要嫌疑者。幸运的是，菲利佩利说，现代树木不会造成类似的破坏，因为自然界已经进化出各种系统来平衡腐烂木材的影响。与覆盖在古代地球上的薄薄的土层相比，现代土壤的深度也保留了更多的营养。但是，研究中所揭示的动态变化揭示了对地球海洋中的生命的其他更新的威胁。该研究的作者指出，其他人已经提出了这样的论点：来自化肥、粪便和其他有机废物（如污水）的污染已经使地球的海洋处于"缺氧的边缘"，即完全缺乏氧气。菲利佩利说："这些对古代世界自然事件的灾难性结果的新见解可能成为对今天人类活动产生的类似情况的后果的警告。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1332673.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1332673.htm