Rock Record 照亮了 Oxygen 的历史
地球历史上的几个关键时刻帮助我们人类回答这个问题，“我们是怎么来到这里的？这些时刻也揭示了“我们要去哪里”这个问题?--为科学家提供了更深入的见解，了解生物体如何适应环境中的物理和化学变化。 其中包括 20 多亿年前的一次扩展进化事件，称为大氧化事件 （GOE）。 这标志着光合作用产生的氧气首次出现，这对人类和许多其他生命形式开始在大气中大量积累。 如果你回到 GOE 之前（超过 ~24 亿年前），你会遇到一个基本上缺氧（无氧）的环境。 当时茁壮成长的生物体是厌氧的，这意味着它们不需要氧气，并且依靠发酵等过程来产生能量。 其中一些生物今天仍然存在于极端环境中，例如酸性温泉和热液喷口。 GOE 引发了地球表面历史上最深刻的化学转变之一。 它标志着一个实际上没有大气中氧气的星球——并且不适合居住的复杂生命——转变为一个拥有支持我们今天所知的生物圈的含氧大气的星球。 长期以来， 科学家一直对确定大气中氧气发生重大变化的时间和原因感兴趣，因为它们是理解复杂程度的基础生命，包括人类，都是存在的。 虽然我们对这一关键时期的理解仍在形成，但来自雪城大学和麻省理工学院的一组研究人员正在深入挖掘——字面意思——来自南非地下的古老岩芯，以挖掘有关 GOE 发生时间的线索。 他们的工作为生物进化速度响应氧含量的上升提供了新的见解，以及真核生物（细胞中含有细胞核封闭在膜内）。 这项研究发表在《美国国家科学院院刊》杂志上，由 Benjamin Uveges '18 博士领导，他在麻省理工学院作为博士后助理完成了该项目，并与雪城大学地球科学教授 Christopher Junium 合作进行化学分析。 答案嵌入岩石 为了回到过去，研究小组分析了从南非多个地点收集的沉积岩芯。这些地点经过精心挑选，因为它们的岩石可以追溯到 2.2 到 25 亿年前，属于保存 GOE 证据的理想年龄范围。 通过分析嵌入这些岩石中的稳定同位素比率，该团队发现了需要硝酸盐存在的海洋过程的证据——硝酸盐是更富氧条件的指标。 为了分析古老的沉积物，Uveges 与雪城大学地球与环境科学副教授 Junium 合作大学。 Junium 专门研究过去的环境如何演变，以更好地了解未来的全球变化。 他最先进的仪器对于获得痕量氮水平的准确读数至关重要。 “我们为这项研究分析的岩石中的氮浓度非常低，太低了，无法用用于这项工作的传统仪器进行测量，”Uveges 说。 “Chris 制造了世界上为数不多的可以测量氮的仪器之一氮含量比典型最小值低 100 至 1,000 倍的样品中的同位素比值。 在 Junium 的实验室中，该团队使用一种称为同位素比质谱仪 （IRMS） 的仪器分析了南非岩石样品中的氮同位素比值。 样品首先被粉碎成粉末，经过化学处理以提取特定成分，然后转化为气体。 这种气体被电离（变成带电粒子）并通过磁场加速，从而将基于其质量的同位素。 然后，IRMS 测量了 ¹⁵N 与 ¹⁴N 的比率，这可以揭示过去氮的加工方式。 那么，这个过程如何揭示过去的氧气水平呢？ 微生物（微生物的简称）在沉积物变成岩石之前会影响沉积物的化学组成，留下氮加工和使用方式的同位素特征。 跟踪 ¹⁵N 到 ¹⁴N 随时间的变化有助于科学家了解地球的环境，尤其是氧气含量，进化。 改写氧气时间表 根据 Uveges 的说法，最令人惊讶的发现是海洋好氧氮循环时间的变化。 有证据表明，氮循环对溶解氧变得敏感的时间比以前认为的早了大约 1 亿年——这表明氧气在海洋中的积累与其在大气中的积累之间存在显着延迟。 Junium 指出，这些结果标志着氮循环的关键转折点，当生物体不得不更新它们的生化机器以更氧化的形式处理氮时，它们更难吸收和使用。 “所有这些都符合一种新兴的观点，即 GOE 是一场旷日持久的考验，生物体必须在利用含氧光合作用的能量增益和逐渐适应处理其副产品氧气之间找到平衡，”Junium 说。 随着光合作用产生的氧气开始在大气层中，氧气的上升导致许多厌氧生物灭绝，并为有氧呼吸的进化奠定了基础——有氧呼吸是一种利用氧气分解葡萄糖并提供人类和其他动物的肌肉运动、大脑活动和细胞维持等功能所需的能量的过程。 “在地球历史的前 20 多亿年里，海洋或大气中的游离氧非常少，”Uveges 说。 “相比之下，今天的氧气占我们大气层的五分之一，基本上所有复杂的多细胞生命都依赖于它进行呼吸。 因此，在某种程度上，研究氧气的增加及其化学、地质和生物影响实际上是在研究地球和生命是如何共同进化以达到目前的状况的。 ：他们的发现重塑了我们对地球表面环境在产氧光合作用进化后何时变得富氧的理解。 该研究还确定了一个关键的生物地球化学里程碑，可以帮助科学家模拟 GOE 前后不同形式的生命是如何进化的。 “我希望我们的发现能激发对这个迷人时期的更多研究，”Uveges 说。 “通过将新的地球化学技术应用于我们研究的岩芯，我们可以更详细地了解 GOE 及其对地球生命的影响。” 这项工作由以下赠款资助：NSF CAREER 奖（雪城大学 -- Christopher Junium）和西蒙斯基金会生命起源合作奖（麻省理工学院 -- Benjamin Uveges、Gareth Izon 和 Roger Summons）。