微生物化石如何揭示生命的起源
来自前寒武纪单元的微化石。图片来源：uux.cn维基共享资源
（神秘的地球uux.cn）据美国微生物学会（作者：Kartik Aiyer）：35亿多年前，地球还不是我们今天所知的宜居世界。大气缺乏氧气，海洋酸性且富含铁，火山活动在荒芜的土地上咆哮。然而，在这个陌生的世界里，发生了非凡的事情——生命诞生了。最早的生命形式没有留下骨骼或贝壳，但他们留下了关于其生物学特征及对早期地球环境影响的其他线索。
微生物生命的痕迹、化学指纹和古老岩石中化石化的微小结构告诉我们深层微生物的历史。这些微生物化石大多属于原核生物，是理解地球生命起源及其早期进化的关键。
但解读数十亿年前的证据存在挑战。例如，岩石样本可能随着时间被温度和压力改变，化石化的细胞形状可能类似于非生物矿物结构，而古老岩石中的化学痕迹既有生物起源，也可能有非生物起源。为了应对这些挑战，研究人员正在探索研究较少的地区，开发更精细的工具，以更好地理解我们所知生命的起源。
美国微生物学会研究技术进步如何使研究人员能够前所未有的理解早期微生物生命。
铁板钉钉：发掘早期微生物结构与形态
微生物化石提供了地球上生命最早的直接物理证据之一。对于微生物学家来说，它们有助于解答关于古代微生物结构和形态的关键问题。虽然分子工具可以追溯进化关系，但只有岩石记录显示了古代生命的时间和环境背景，提供了关于古代微生物何时、何地、如何生活的有用线索。这些化石还为寻找宇宙其他生命提供了有用的参考，有助于评估火星等行星或欧罗巴等冰冷卫星的潜在生物特征。
叠层石
最具代表性的微生物化石之一是叠层岩——由密集的微生物群落组成的层状沉积结构，称为微生物垫。这些可见的生物膜通常生长在潮湿表面，捕捉并结合沉积物（如沙子和钙），并将矿物沉淀成独特的土丘或柱状结构，提供地球生命的化石记录。研究人员在西澳大利亚的瓦拉伍纳组鉴定出34.5亿年前的叠层岩。这些结构可追溯至太古永世，跨越403.1亿至25亿年前，为我们提供了了解一些最早沿海生态系统的窗口。
更引人注目的是34亿年前斯特雷利池组的叠层石，展现出复杂的几何形态，如锥体、柱状结构和细腻层理片。尽管早期有人争论太古宙岩层（同样在西澳大利亚发现）可能具有非生物性质，但这些结构表现出空间组织、垂直生长和内部纹理，这些都与微生物垫的活动相符。此外，其形态复杂性，加上在浅海环境中的分布，使它们成为生物起源的特别有力候选者。
在南非巴伯顿绿岩带及世界其他太古宙岩层中也发现了层质结构，表明微生物垫在浅海环境中广泛存在。类似的层状结构在多个大陆和多个时期独立出现，这进一步强化了它们源自生物过程而非罕见或孤立的非生物事件的观点，这些在岩石中反复出现的物理或化学模式被视为反映过去生物活动的生物特征。
虽然较年轻的叠层石，尤其是大氧化事件（~24亿年前）之后形成的叠层石，通常与蓝藻和含氧光合作用相关，但太古宙结构（如上述结构）的具体微生物身份仍不清楚。这些早期垫子可能由无氧光合体（利用太阳能生长且不产生氧气的细菌）或其他代谢多样的微生物混合产生，远早于氧气产生改变地球大气层之前。
微化石
微化石是保存在细粒、富含硅质岩石中的古细胞痕迹，如燧石，体积极小，肉眼几乎看不见。快速埋葬保护脆弱的细胞结构免受衰变。一些微化石由微生物残骸包裹在富含碳物质的薄膜中组成，科学家将其解释为降解的细胞物质。而另一些则由被矿物质填满或包围的细胞组成，如硅或铁氧化物，保持其形态在固体基质中。这些条件有助于保留那些原本可能丢失的精细结构细节，使得数十亿年后研究它们的形态和化学成分成为可能。
其中一些微化石已有超过34亿年的历史。它们表现出如杆状、球体和丝状丝状的简单形状，这些大小属于现代原核细胞的范围（约1-10微米）。在某些样本中，类细胞形态以簇状或链状形式出现，类似于现代细菌有时以菌落形式生长或按顺序分裂的方式。这种空间结构，连同其大小和形状，支持了这些结构代表真实微生物生命而非矿物遗物的观点。
古代生物化学
不过，仅凭形状识别古代微生物很困难，因为非生命过程有时会产生看起来像细胞的结构。为了加强生物起源的论据，科学家们转向化学证据。其中最有用的指标之一是碳同位素的比例。生物体在代谢过程中倾向于选择较轻的同位素碳-12。因此，它们留下的有机物比碳-13更富含碳-12。当这种被称为同位素轻碳的同位素模式出现在古老岩石中时，可以暗示生命曾经存在。例如，格陵兰伊苏亚地壳带岩石中的石墨颗粒，年代约为37亿年前，显示出这种同位素信号。其他古代地形的类似发现也支持了这些信号反映早期生物碳固定，而非纯粹地质过程的解释。
研究最初的新陈代谢
额外的支持来自硫同位素分馏模式——微生物硫代谢的证据，以及保存下来的脂质生物标志物（细胞膜分子化石）和对氧化还原敏感的矿物如铀矿和黄铁矿，暗示了早期微生物氧化还原过程。即使没有可见的化石结构，这些化学痕迹仍帮助科学家重建特定代谢途径（如硫还原或厌氧呼吸）何时出现，以及它们如何影响早期地球环境。
古岩石中的化学痕迹也表明早期存在甲烷生成、铁基代谢和自养途径。甲烷成因的证据来自可追溯至35亿年前的岩石中富含甲烷的流体包裹体。这些岩石中的甲烷在碳-13中被耗尽，这与生物产生的特征一致，表明尽管甲烷成生古菌至今仍在活动，但这种代谢进化非常早。
基于铁的新陈代谢与带状铁形成的发现有关。这些沉积物由交替排列的富铁矿物层组成，可能是微生物利用光线将溶解铁氧化在海水中形成的。其他微生物可能利用有机分子还原了铁。这两个过程共同塑造了早期地球的氧化还原地貌，并被保存在这些大型矿物结构中。
化学和化石线索不仅表明生命在地球早期就已出现，还迅速多样化以利用不断变化的环境中的多种能源来源。
阅读岩石记录：化石揭示了早期生活
微生物化石揭示了地球上一些已知最古老的生命证据，但它们也提出了重要的科学问题。在不同环境中，哪些代谢途径活跃？微生物多样化的速度有多快？在什么条件下微生物活动可以被保存数十亿年？
其中一个主要挑战是自信地解读这些痕迹。微观形状可能类似于矿物结构，化学特征可能既有生物起源，也有非生物起源。研究人员正在开发更精细的工具来应对这种不确定性，结合高分辨率成像、同位素地球化学以及早期地球环境的实验模拟。这些方法有助于识别指向生物起源的微妙特征，揭示微生物群落如何应对环境压力、形成垫状结构以及与矿物相互作用——这些见解在现代系统中也有相似之处。
另一个难题在于地质记录本身。超过30亿年的岩石极为罕见，许多岩石被高温和压力改变。即使在保存良好的环境中，化石证据也可能零散或模糊不清。然而，重新检查的样本、深钻芯以及较少被研究的地区不断涌现新发现。这些发现帮助微生物学家理解至今仍存在的主要生化途径的起源（如碳固定、甲烷生成和硫酸盐还原）。
展望未来，寻找地球以外的生物特征在很大程度上依赖于我们从早期微生物痕迹中获得的信息。前往火星和冰封卫星的任务，是根据地球自身化石记录所塑造的标准进行指导的。了解生命如何在古老岩石中留下痕迹，有助于我们寻找何处、寻找什么以及如何解读所发现的事物。
