科學家發現生物固氮的最早化石證據

近日，中國科學院南京地質古生物研究所早期生命研究團隊博士龐科等，在安徽省壽縣新元古代約8億年前的碳質膜化石中發現了具有多細胞和細胞分化的「大型安徽絲藻」。研究者認為這是早期生物固氮的最早化石證據，相關研究成果在線發表於《當代生物學》（Current Biology）雜誌。

作為地球上最古老的生物門類之一，藍藻通過光合作用釋放氧氣，使早期地球大氣從無氧狀態逐漸演化到有氧狀態，從而推動了其他好氧生物的進化和發展。此外，多種藍藻還具備固氮能力。作為組成氨基酸和核酸的基本元素之一，氮元素的吸收對生物的生存至關重要。生物通常不能直接利用空氣中的氮氣，而某些特殊類型的藍藻可以將空氣中的氮氣轉化為生物可吸收利用的化合態氮（氨NH3或銨根離子NH4+），為其他生物提供了氮的來源。清晰具有固氮能力的藍藻在地球上的出現時間，對理解早期生命演化過程及其地球環境背景具有重要意義。

在現生藍藻中，有一種能夠進行固氮作用的結構被稱為異形胞。異形胞是一種缺乏光合結構、通常比普通營養細胞大的特化的厚壁細胞，含有豐富的固氮酶，是藍藻進行固氮作用的場所。異形胞的形成是為了在原有的細胞壁外形成包被層以阻擋氧氣的進入，保證異形胞內部形成微氧環境，以保護固氮酶不被失活，進而能在富氧的環境中進行固氮作用。據此，具異形胞藍藻是早期生物固氮的直接證據，也是氧氣濃度升高的證據，但目前其化石記錄非常稀少且爭議很大。

該研究發現的大型安徽絲藻為單列的絲體化石，並由一層薄的胞外膠鞘包裹。既能單獨保存為絲體化石，也能與其他絲狀化石一起形成底棲的微生物席。藻絲由多個細胞組成，部分營養細胞成對地出現，為橫向二分裂產生的子細胞。其中一些短的絲體，是母絲體斷裂產生的「藻殖段」。少數球狀細胞，比一般的營養細胞體積要大，是藻絲用於渡過休眠期的厚壁孢子。對比現生藍藻的結構，研究者認為大型安徽絲藻是一種具異形胞的藍藻化石。

以往研究發現，在比新元古代更老的古-中元古代地層（25-10億年前），也保存著大量的絲狀藍藻化石，但是它們都沒有可靠的異形胞或厚壁孢子，這意味著具異形胞的藍藻很可能起源於新元古代早期。大型安徽絲藻的發現，將最早可靠的具異形胞的藍藻化石記錄由泥盆紀（約4.1億年前）向前推進到新元古代早期（10-7.2億年前），提供了早期生物固氮的最早化石證據。

藍藻的異形胞是為了應對氧氣濃度上升、保護其中對氧氣敏感的固氮酶而產生，因此大型安徽絲藻也從生物學角度證實了新元古代早期地球氧化還原環境的轉變。

圖1.新元古代早期劉老碑組中具異形胞藍藻化石。a，藻殖段形成過程；b，藻殖段；c-f，箭頭所示為厚壁孢子。

圖2.新元古代早期劉老碑組中具異形胞藍藻化石。a，保存在岩石手標本表面，主要由大型安徽絲藻（箭頭所指）構成的肉眼可見的微生物席；圖f，箭頭所示為厚壁孢子。

來源：中國科學院南京地質古生物研究所

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