在古老的無氧世界,它們靠什麼生存下來?

一

數十億年以前，地球上的生命多數是只在淺水中生存的黏滑的微生物墊。日積月累之下，有時這些微生物群落會導致碳酸鹽礦物粘合在一起，形成一種被稱為疊層石的層狀石灰巖。它們是地球生命的最古老證據，但這些化石並無法直接讓我們知道，它們究竟是如何形成的。

我們知道，現如今的大多數生命都是需要依靠氧氣來維持的。但是，在大氣中有氧氣之前，有的微生物群落就已經存在了約十億年的時間，那麼那時候的生命是如何維持的呢？

幾年前，一個由地質學家、物理學家和生物學家組成的研究團隊，從疊層石化石中找到了與這些古老生命有關的線索。他們提出，砷（As）或許是這些古老微生物進行光合作用和呼吸作用的關鍵化學物質。現在，這些古老的微生物群落仍有其現代版本至今仍存活於地球之上，或許還有一部分這樣的微生物群落仍在使用砷而生存。如果發現了這樣的群落，是否就能算作為這種「砷理論」找到了證據？

有一個主要由智利科學家和阿根廷科學家組成的科考隊，他們的目標是在有著極端條件的安第斯山脈中探尋有生命的疊層石。提出了」砷理論「的研究團隊加入了這一科考隊，結果在阿塔卡馬沙漠深處的一片水域中發現了巨大的驚喜。

紫色的微生物墊為古老生命如何運作提供了線索。| 圖片來源：Pieter Visscher

那片水域的底部是由疊層石構成的，它們是在完全無氧的環境下茁壯成長的微生物墊，呈現出明亮的紫色。他們的發現果然如那些古老化石中的線索所暗示的那樣，這些微生物墊使用了兩種不同形式的砷（As(III)和As(V)）來進行光合作用和呼吸作用。

 現代生物體在光合作用中會製造氧氣，並在呼吸作用中使用氧氣；但是，其他元素——如砷（As）也能有同樣的功效。| 圖片來源：Christophe Dupraz、Anthony Bouton、Pieter Visscher

二

在過去的24億年裡，像植物和藍藻這類光合生物會利用陽光、水和二氧化碳來製造氧氣和有機物。通過光合作用，太陽能被轉化為可供生命使用的化學能。一些生物在代謝有機碳時會吸入氧氣，並在此過程中獲得呼吸所需的能量。

更古老世界中的微生物也能從陽光中獲取能量，但它們不能從水中製造出氧氣，也不能利用氧氣進行呼吸。因此，它們需要另一種化學物質來做到這些。

從生物化學的角度來看，能做到這些的只有這幾個可能的選項：鐵、硫、氫，或者砷。但是通過分析化石記錄，以及這幾種化學物質在原始湯中的含量，研究人員很快排除了鐵、硫和氫作為最早時期光合作用的化學物質的可能性，這樣一來就只剩下了砷。

2014年，研究人員首次發現了能表明疊層石是在砷的幫助下進行光合作用和呼吸作用的線索。他們通過在澳大利亞內陸的一個古老礁石上鑽孔，收集到了27.2億年前的疊層石碎片。他們用光子撞擊這些疊層石碎片，然後測量在這一過程中樣本所能釋放出的X射線，繪製出了樣本中的化學元素圖。

研究人員推測，如果化學元素圖中能顯示出As(III)和As(V)兩種砷，那麼這就意味著那時的生命的確是利用砷來進行光合作用和呼吸作用的。測量結果沒有讓他們失望，他們在這些古老的生命遺蹟中沒有發現鐵和硫的蹤跡，卻果然發現了大量的砷。

這樣的結果令人欣喜，但若要進一步證實這種「砷理論」，還需要更多的證據——一個現代例子。從來沒有研究人員在完全無氧的環境下發現過微生物墊群落，但如果能夠發現，就可以幫助解釋第一批疊層石是如何在地球的海洋和缺乏氧氣的大氣中形成的。

 從微生物墊中提取的樣品裡含有高水平的砷和鋰，卻沒有氧。| 圖片來源：D』Angelo Duran

三

智利的阿塔卡馬沙漠是地球上最乾燥的地方，它的兩側是火山，常年暴露在極強的紫外線輻射下。這與30億年前的地球沒有太大區別，這裡也不太可能為我們所熟知的那些生命提供生存環境。就是在這樣的環境下，研究人員找到了想要尋找的東西。

那是一個深埋於這個嚴酷沙漠中的鹹水湖，名叫Laguna La Brava，一條由火山地下泉水注入的淺水流進了這個湖中。它的河床呈現出一種獨特的深紫色。這種顏色源自於一個微生物墊，它們在砷含量、硫含量和鋰含量高到異常的水中茁壯地生長，但唯獨缺少一種重要的元素——氧。

這些黏糊糊的紫色痕跡能解答有關於古老生命的問題嗎？

 一塊生活在無氧水流底部的微生物墊。| 圖片來源：Pieter Visscher

為了尋找礦物證據，研究人員切下了一塊這樣的微生物墊。一滴酸能使樣品中的礦物冒著氣泡（碳酸），表明這種微生物群落正在形成疊層石。研究人員選擇在那片地方安營紮寨。他們不分晝夜、不論季節地對水和微生物墊的化學成分進行測量，但一次都沒能發現氧氣的蹤跡。

回到實驗室後，他們確認了那裡的確有豐富的硫和砷。在顯微鏡下，他們看到了紫色的光合細菌，但卻沒有發現任何產氧的藍藻細菌。他們還從微生物墊上收集了許多DNA樣本，發現了負責砷代謝的基因。

在實驗室裡，他們將微生物墊上的微生物混合，然後加入砷，再讓混合物暴露在陽光下。與預想的一樣，光合作用隨即開始發生，這些微生物使用砷和硫來進行光合作用，而且對砷更加偏愛。當他們極少量地加入某種有機物時，這些微生物開始使用一種不同的砷化合物進行呼吸作用，而沒有使用硫。

接下來，他們要證實的就是，在現代疊層石中可以檢測到兩種類型的砷。利用上述的X射線發射譜學技術，他們對從智利取回的樣本繪製化學元素圖。他們所做的每個實驗都表明了這些獨特的現代疊層石可以在沒有氧氣的情況下，存在一個活躍的砷循環。這無疑證實了他們在2014年研究澳大利亞化石樣本時提出的說法，即在我們的地球年輕時，存在一個活躍的砷循環。

 Laguna La Brava比地球上的多數地方都更接近火星的環境。| 圖片來源：Pieter Visscher

四

阿塔卡馬的惡劣環境與早期地球以及火星的環境非常相似，這也是為什麼許多天體生物學家轉向阿塔卡馬沙漠來解答有關於生命是如何在地球上開始的，以及生命可能如何在其他星球開始的問題。研究人員在Laguna La Brava發現的砷循環微生物墊，為生命中一些最基本的問題提供了強有力的線索。這一發現無疑為地球上最古老的生命是如何在氧氣出現之前的世界存活下來的，提供了迄今為止最有力的證據。

今年，人類開啟了一系列火星探測計劃，這些探測器帶著人類的好奇心在太空中飛馳。或許它們可以使用與這項研究中製作化學元素圖的相同過程來研究元素，它們可能也會發現火星的巖層中含有豐富的砷，意味著火星上也可以有依賴砷生存的生命。畢竟，這些古老的微生物就是用這樣的方式在超過10億年的時間裡一直生存在地球上的，它們在最嚴酷的條件下找到了生命的出路，而這些道路正是我們試圖發現和理解的。