蘇必利爾湖硫酸鹽含量低的水域可以為地球早期海洋的生物化學(xué)提供洞見。信用:uux.cn/亞歷山德拉菲利普斯
（神秘的利爾硫地老地球uux.cn）據(jù)加州大學(xué)圣巴巴拉分校（哈里森·塔索夫）：地球化學(xué)家亞歷山德拉·菲利普斯對(duì)硫磺念念不忘。黃色元素是湖的海洋一種重要的常量營養(yǎng)元素，她試圖了解它是研究如何在環(huán)境中循環(huán)的。具體來說，揭示她對(duì)大約30億年前地球古老海洋中的球古硫循環(huán)很好奇。
幸運(yùn)的中何是，營養(yǎng)不良的循環(huán)蘇必利爾湖為我們提供了一個(gè)很好的回顧過去的機(jī)會(huì)。“真的蘇必很難回溯幾十億年，”菲利普斯說，利爾硫地老他是湖的海洋加州大學(xué)圣巴巴拉分校和明尼蘇達(dá)大學(xué)德盧斯分校的前博士后研究員。“所以這是研究一個(gè)很好的窗口。”她和她的揭示合作者在湖中發(fā)現(xiàn)了一種新的硫循環(huán)。他們的球古發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《湖沼學(xué)和海洋學(xué)》上，集中關(guān)注有機(jī)硫化合物在這個(gè)生物地球化學(xué)循環(huán)中的中何作用。
硫酸根離子(SO4)是環(huán)境中最常見的硫形式，也是海水的主要成分。在海洋和湖泊的底部，氧氣變得不可用，一些微生物通過將硫酸鹽轉(zhuǎn)化為硫化氫來生存(H2S)。
這種硫化氫的命運(yùn)很復(fù)雜；它可以在呼吸過程中被微生物迅速消耗，也可以在沉積物中保留數(shù)百萬年。將硫酸鹽轉(zhuǎn)化為硫化氫是一個(gè)歷史悠久的職業(yè)；基因組證據(jù)表明，微生物已經(jīng)這樣做了至少30億年。
但科學(xué)家認(rèn)為，硫酸鹽直到大約27至24億年前才變得豐富，當(dāng)時(shí)新進(jìn)化的藍(lán)藻的光合活動(dòng)開始向海洋和大氣中注入大量氧氣。那么這些古老的微生物是從哪里獲得硫酸鹽的呢？
考慮到這一困境，菲利普斯將注意力轉(zhuǎn)向有機(jī)硫，即硫與碳化合物結(jié)合的分子。這些包括硫脂和含硫氨基酸。在現(xiàn)代海洋中，硫酸鹽的含量幾乎是有機(jī)硫的一百萬倍。“但是在一個(gè)沒有太多硫酸鹽的系統(tǒng)中，有機(jī)硫突然變得非常重要，”她說。
“很長(zhǎng)一段時(shí)間，我們的思維被我們能從富含硫酸鹽的現(xiàn)代海洋中學(xué)到的東西所主導(dǎo)，”資深作者、明尼蘇達(dá)大學(xué)大湖天文臺(tái)教授謝爾蓋·卡采夫說。卡采夫擔(dān)任該項(xiàng)目的高級(jí)科學(xué)家。“然而，要了解早期地球，需要觀察硫酸鹽稀缺時(shí)出現(xiàn)的過程，這就是有機(jī)硫可以改變整個(gè)范式的地方。”
恰好蘇必利爾湖含有很少的硫酸鹽，比現(xiàn)代海洋少近一千倍。菲利普斯說:“就硫酸鹽而言，蘇必利爾湖看起來更接近數(shù)十億年前的海洋，可能有助于我們理解我們無法直接觀察的過程。”早期的海洋幾乎沒有硫酸鹽，因?yàn)樾纬蒘O4的游離氧少得多。
五大湖是古代海洋的模擬，使菲利普斯能夠看到硫循環(huán)在類似的化學(xué)條件下是如何進(jìn)行的。她心里有三個(gè)問題:
1.如果硫酸鹽還原正在發(fā)生，是哪些微生物造成的？
2.如果有機(jī)硫推動(dòng)了這一過程，那么微生物更喜歡什么類型的化合物呢？
3.那么，產(chǎn)生的硫化氫會(huì)怎么樣呢？
菲利普斯和她的合作者前往蘇必利爾湖，從源頭到匯追蹤有機(jī)硫。該小組從兩個(gè)地點(diǎn)將水和沉積物樣本帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析:一個(gè)地點(diǎn)沉積物中含有大量氧氣，另一個(gè)地點(diǎn)沒有。硫酸鹽還原通常發(fā)生在環(huán)境的缺氧部分。氧氣是一種很好的資源，所以如果可能的話，生物更喜歡使用氧氣而不是硫酸鹽。該團(tuán)隊(duì)使用鳥槍法宏基因組學(xué)來尋找具有參與硫酸鹽還原的基因的微生物。他們發(fā)現(xiàn)了大量的硫酸鹽，就在沉積物中硫酸鹽含量最高的那一層。總之，他們確定了八個(gè)硫酸鹽還原分類群。
然后，研究人員開始確定微生物更喜歡哪種有機(jī)硫。他們給不同形式的有機(jī)硫來分離微生物群落，并觀察結(jié)果。作者發(fā)現(xiàn)微生物從硫脂中產(chǎn)生大部分硫酸鹽，而不是含硫氨基酸。雖然這個(gè)過程需要一些能量，但這比微生物從隨后的硫酸鹽還原成硫化氫中獲得的能量要少得多。
硫脂不僅是這一過程的首選，它們?cè)诔练e物中也更豐富。硫脂是由其他微生物群落產(chǎn)生的，它們死亡后會(huì)漂到湖底。
隨著“誰”和“如何”的回答，菲利普斯把她的注意力轉(zhuǎn)向硫化氫的命運(yùn)。在現(xiàn)代海洋中，硫化氫可以與鐵反應(yīng)生成黃鐵礦。但它也能與有機(jī)分子反應(yīng)，生成有機(jī)硫化合物。“我們發(fā)現(xiàn)湖中有大量的有機(jī)物硫化，這真的讓我們很驚訝，”她說。“有機(jī)硫不僅是硫循環(huán)的一個(gè)來源，而且也是硫化氫的最終匯。”
這個(gè)循環(huán)——從有機(jī)硫到硫酸鹽再到硫化氫，然后再回來——對(duì)研究人員來說是全新的。“研究水生系統(tǒng)的科學(xué)家需要開始考慮有機(jī)硫是一個(gè)核心因素，”菲利普斯說。這些化合物可以在營養(yǎng)缺乏的環(huán)境中驅(qū)動(dòng)硫循環(huán)，如蘇必利爾湖，甚至是古老的海洋。
這個(gè)過程在含高硫酸鹽的系統(tǒng)中也很重要。“有機(jī)硫循環(huán)，就像我們?cè)谔K必利爾湖看到的那樣，可能在海洋和淡水沉積物中普遍存在。但在海洋中硫酸鹽是如此豐富，以至于它的行為淹沒了我們的大多數(shù)信號(hào)，”資深作者摩根·雷文說，他是加州大學(xué)圣巴巴拉分校的生物地球化學(xué)家。"在硫酸鹽含量低的蘇必利爾湖工作讓我們看到了沉積有機(jī)硫循環(huán)到底有多活躍."
有機(jī)硫似乎是微生物群落的能量來源，也能保存有機(jī)碳和分子化石。結(jié)合起來，這些因素可以幫助科學(xué)家理解早期硫循環(huán)微生物的進(jìn)化及其對(duì)地球化學(xué)的影響。
菲利普斯補(bǔ)充說，一些最早的生化反應(yīng)可能與硫有關(guān)。"我們非常確定硫在早期新陳代謝中扮演了重要的角色."更好地理解硫循環(huán)可以讓我們了解早期生命是如何利用這種氧化還原化學(xué)的。