地球曾经是一个对我们而言完全致命的星球，而那时候，氧气才是毒药。
在大约23亿年前的地球上，大气中的氧气浓度仅为今天的百万分之一，那个世界没有森林，没有动物，只有微生物在黑暗、缺氧的海洋中静静地活着。
氧气来了，微生物怎么办
照片显示法蒂玛·李豪正准备在退潮时从温泉中采样水和沉积物。图片来源：野田夏美，ELSI
这段历史中最戏剧性的转折，发生在大约23亿年前，地质学家将其命名为“大氧化事件”。
事件的主角是蓝藻，这种能够进行光合作用的微生物开始大规模繁殖，将水分子分解，把二氧化碳转化为有机物，同时以副产品的形式向大气中释放氧气。对今天的我们来说，这是地球历史上最伟大的礼物，它最终使复杂生命和动物的出现成为可能。
但对于那些已经在无氧环境中演化了数十亿年的古老微生物来说，氧气的到来意味着灾难。它们的代谢系统从未为处理活性氧分子做好准备，氧气对它们而言是真实意义上的毒素。
那么，这些古老微生物是如何在这场全球性的化学剧变中存活下来的？这个问题困扰了科学界很长时间。
东京科学研究院地球生命科学研究所的研究团队把目光投向了日本的几处天然温泉，在那里，他们找到了一把穿越23亿年的钥匙。
一张从源头到海洋的温泉照片。图片来源：法蒂玛·李豪，ELSI
这项研究由博士生法蒂玛·李豪主导，副教授肖恩·麦克格林监督指导。研究团队选取了日本五处富含亚铁离子的天然温泉，分布在东京、秋田和青森三地。这些温泉的化学组成极为罕见，在今天的地球上，亚铁离子遇到氧气会迅速氧化为不溶于水的三价铁，沉淀消失；但在这些特定泉眼中，亚铁离子依然大量溶解存在，氧气含量极低，酸碱度接近中性。
研究人员认为，这种化学环境与约23亿年前大氧化事件期间的早期海洋高度相似，是一个难得的天然实验室。
麦克格林将这些温泉描述为研究早期地球微生物代谢的独特窗口，它们帮助科学家理解在植物、动物和大气氧气大规模出现之前，原始微生物生态系统可能是如何运作的。
铁，是那个时代微生物的主食
退潮时五个温泉之一的沉积物和岩石特写照片，显示氧化铁矿物沉淀。图片来源：法蒂玛·李豪，ELSI
研究团队在五处温泉中发现了一个高度一致的生态结构，而这个结构，可能正是早期地球生命的缩影。
在其中四处温泉中，占据主导地位的微生物是微需氧铁氧化菌。这类细菌在极低氧气浓度的环境中生存，通过将亚铁离子氧化为三价铁来获取能量，过程中消耗极少量的氧气，却能维持自身的代谢运转。
与此同时，能够进行光合作用并释放氧气的蓝藻也在这些温泉中存在，只是数量相对较少。研究团队认为，这种搭配并非偶然，它反映了一种精妙的共生逻辑：蓝藻通过光合作用缓慢产生少量氧气，铁氧化菌随即将这些氧气消耗掉，维持整体环境的低氧状态，从而保护那些对氧气敏感的厌氧微生物继续存活。
冬季五个温泉之一的照片，显示源泉水和二氧化碳气泡。图片来源：法蒂玛·李豪，ELSI
换句话说，铁氧化菌充当了一个缓冲层，它把蓝藻产生的“毒素”转化成了自己的食物，同时为更脆弱的厌氧同伴遮风挡雨。
研究团队通过宏基因组学技术重建了超过200个高质量微生物基因组，进一步揭示了这些微生物群落的代谢网络。除了铁和氧气的循环之外，这些群落还支撑着完整的碳循环和氮循环，甚至检测到了一个出乎意料的局部硫循环迹象，尽管这些温泉中的硫含量极低。
研究者推测，这可能是一种“隐性”硫循环，微生物通过复杂的代谢路径在内部循环利用硫元素，其机制目前尚未完全厘清。
一张从五个温泉之一看到的日本海照片，肖恩·E·麦格林正在进行采样。可以看到氧化泉水的橙色排放流入大海。图片来源：法蒂玛·李豪，ELSI
李豪在描述这一发现时说，尽管五处温泉在地球化学特征和微生物组成上各有差异，但在亚铁离子和低氧条件下，微需氧铁氧化菌、光合微生物和厌氧菌总是以一种高度相似的方式共存，并维持着完整而稳定的生物地球化学循环。
一块远古拼图，以及它对寻找外星生命的意义
这项发表于《微生物与环境》期刊的研究，在科学意义上指向了两个方向。
第一个方向是修正我们对地球生命史的理解。在大氧化事件发生的那段过渡时期，生命并非简单地分为“死亡”和“存活”两种结局，而是通过铁代谢这一中介机制，构建出了一个能够容纳不同代谢类型微生物共存的过渡性生态系统。这个生态系统的稳定性和复杂性，远超此前的估计。
第二个方向更为深远，它关乎地外生命的探索。火星和木星的卫星欧罗巴、土星的卫星恩克拉多斯，都被认为可能存在或曾经存在富含铁质的液态水环境，与大氧化事件前后的早期地球海洋高度相似。如果铁驱动的微生物生态系统能够在地球最恶劣的化学环境中稳定维持，那么类似的生命形式，在那些遥远星球的深处悄然存在，就不再只是科幻小说的专属命题。
生命找到了一种方式，在氧气大规模出现之前的毒性世界里用铁续命，撑过了地球历史上最剧烈的大气变革。这个事实本身，就已经足够令人震撼。
信息来源：https://scitechdaily.com/ancient-hot-springs-reveal-how-life-survived-on-a-toxic-early-earth/
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