中國科學家發(fā)現(xiàn)生物固氮的最早化石證據(jù)

中國科學院南京地質古生物研究所早期生命研究團隊在安徽壽縣約8億年前的化石中，發(fā)現(xiàn)了具有多細胞和細胞分化的“大型安徽絲藻”，其成為早期生物固氮的最早化石證據(jù)。　楊顏慈　攝

中國科學院南京地質古生物研究所早期生命研究團隊在安徽壽縣約8億年前的化石中，發(fā)現(xiàn)了具有多細胞和細胞分化的“大型安徽絲藻”，其成為早期生物固氮的最早化石證據(jù)。2月2日，相關成果在線發(fā)表在《細胞》出版集團《當代生物學》(Current Biology)雜志上。

參與本次研究的中國科學院南京地質古生物研究所龐科博士向媒體通報了本次發(fā)現(xiàn)的內容。

作為地球上最古老的生物門類之一，藍藻與人們的生產、生活和健康等息息相關，比如在稻田中培育的固氮藍藻，可以使水稻增產;受氮、磷等元素污染后，藍藻引起太湖“水華”和海水“赤潮”，則會給養(yǎng)殖業(yè)和漁業(yè)帶來危害等。

龐科稱，藍藻可以通過光合作用釋放氧氣。此外，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(tài)氮，為其他生物提供了氮的來源，在自然界的氮循環(huán)中具有非常重要的作用。這部分藍藻也被形象地成為“氮肥化工廠”。

中國科學院南京地質古生物研究所早期生命研究團隊在安徽壽縣約8億年前的化石中，發(fā)現(xiàn)了具有多細胞和細胞分化的“大型安徽絲藻”，其成為早期生物固氮的最早化石證據(jù)?！铑伌?攝

因此，具有固氮能力的藍藻在地球上何時出現(xiàn)，對理解早期生命演化過程及其地球環(huán)境背景具有重要意義。

龐科介紹，在藍藻中，有一個能進行固氮作用的進化枝，分化出包括異形胞和厚壁孢子在內的復雜多細胞結構。在異形胞內含有豐富的固氮酶，是藍藻進行固氮作用的場所。因此，具異形胞藍藻是早期生物固氮的直接證據(jù)，然而它們的化石記錄非常稀少且爭議很大。

“在本次研究之前，唯一可信的異形胞和厚壁孢子化石，來自于約4.1億年前的泥盆系萊尼燧石。這一化石記錄遠晚于藍藻實際的起源時間，阻礙了我們去理解復雜多細胞化和細胞分化在藍藻中的演化過程。”

龐科告訴記者，本次發(fā)現(xiàn)的大型安徽絲藻為單列的絲體化石，由一層薄的胞外膠鞘包裹，研究認為其是一種具異形胞的藍藻化石。這一發(fā)現(xiàn)，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(jù)。

研究認為，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，因此大型安徽絲藻從生物學方面也證實了新元古代早期地球氧化還原環(huán)境的轉變。 (楊顏慈)