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新研究可否终结产氧光合作用起源之争

科学界早已有种种证据表明地球大 气中的氧于约25~23亿年前就已经达到 了当今大气氧水平的1%~40%,但大气氧 的主要贡献者——产氧光合作用——究 竟何时开始出现却一直处于争论之中。 此前,来自世界各地的研究组对这个问 题曾给出不同答案,最近香港大学李一良的天体生物学研究团队得到的研究结 果或将终结这一争论。

产氧光合作用与条带状硅铁建造

在地球的生命演化史中,产氧光合 作用的出现是最重要的里程碑之一,它 使得地球的大气圈、水圈、生物圈甚至岩 石圈的演化都发生了重大改变。产氧光 合作用的出现促使产能效率更高的有氧 呼吸出现,甚至影响到包括植物、动物, 乃至人类的出现。

产氧光合作用出现以前,地球大气 富二氧化碳缺氧,整个大气—海洋系统 处于还原状态。自产氧光合作用出现 后,地球大气中的氧含量逐渐升高,海水 也逐渐被氧化。这一系列的变化都被记 录在前寒武纪最主要的沉积岩——条带 状硅铁建造中。条带状硅铁建造以交互 沉积的富硅和富铁条带为特征,其分布遍 布全球,形成时间跨越地球生命史的前 20亿年。条带状硅铁建造的形成与结束 被普遍认为是与大气中氧的增加有关, 亦即与产氧光合作用的演化关系密切。

条带状硅铁建造中的铁矿物主要是 磁铁矿和赤铁矿,是全球铁矿的重要来 源。在早期还原的大气—海洋系统中, 铁主要以易溶解的2价铁形式存在,因而 易在海水中富集,而这些2价铁在被带到 透光带被光合铁氧化菌或产氧光合作用 产生的O2氧化后,发生水解形成Fe(III)氢 氧化合物,并沉淀到海底形成富铁层。 现今条带状硅铁建造中含Fe(III)氧化物 则是这些Fe(III)氢氧化合物的脱水产 物。环境的周期性变化(如气候、季节, 甚至昼夜的变化)引起了铁与硅的交互 沉积,从而形成全球范围内大规模的条 带状硅铁建造。产氧光合作用出现以 后,大气—海洋系统中的氧增加,Fe(II)被 氧化形成难溶的Fe(III),从而很难在海水 里富集,导致了条带状硅铁建造沉积的 结束。

产氧光合作用出现时间争议重重

学术界关于产氧光合作用何时出现 充满不同看法。

20世纪90年代初,洛杉矶加州大学 的Schopf等人从来自西澳大利亚北部约 35亿年前的Apex燧石中发现了类似蓝细 菌(营产氧光合作用)的结构,并认为那 时就有了产氧光合作用。但是牛津大学 Brasier等人认为这些所谓的“化石”并非 真的化石,而是非生物过程中形成的类 似化石的结构,提出反对意见。麻省理 工学院的Summons和国立澳大利亚大学 的Brocks分别在25 和27 亿年前的沉积 岩中检测到能代表产氧光合作用存在的 分子化石,从而指出在晚太古代就有产 氧光合作用了。但是他们所研究的岩石 中的有机物被指很可能来自后期污染, 并不能真实反映当时情况。

近来,日本鹿儿岛大学的Hoashi与 美国滨州州立大学Ohmoto等人又从矿物 的角度着手,在来自西澳34.6 亿年前的 类似条带状硅铁建造的燧石层中发现了 大量亚微米级结晶完好的自形到半自形 赤铁矿,这些赤铁矿晶体与之前人们在 条带状硅铁建造中所观察到的由Fe(III) 氢氧化合物脱水形成的赤铁矿在矿物学 特征上完全不同,因而他们指出这种赤 铁矿不是Fe(III)氢氧化合物的脱水产物, 而是由海水中的溶解Fe(II)与O2 直接反 应生成的,进而指出产氧光合作用在34.6 亿年前就出现了,且深海已被氧化。西 澳大学的Rasmussen等人对全球保存最 好的来自西澳的Hamersley 条带状硅铁 建造进行了详细的岩相学研究,发现条 带状硅铁建造的原始沉积物可能是成分 类似蒙脱石等粘土矿物的硅铁矿物,而 这些矿物在成岩作用和后期变质过程中 受到后期氧化流体的改造,形成我们今 天所看到的矿物组成,而并非在产氧光 合作用下产生,Hoashi的研究结论受到质 疑。

新研究:27 亿年前已有产氧光合作用

最近,李一良的研究团队首次用扫 描电镜进行观测,研究结果推翻了Hoashi 等人的34.6亿年前就有产氧光合作用的 结论。他们在来自南非Kuruman 24.6亿 年前和来自加拿大Abitibi 27.2亿年前的 条带状硅铁建造中观察到了至少3种形 式的赤铁矿:第一,富铁氧化物条带里的 3~5 nm赤铁矿的集合体;第二,富硅和富 铁条带间(转化带)的亚微米级自形-半 自形赤铁矿晶体,这些晶体中有些内部 含粒级更小的(20~30 nm)自形-半自形 晶体;第三,纤维状、针状或放射状的,沿 条带边界或裂隙分布的赤铁矿。前两种 被认为是由海水里沉淀出来的Fe(III)氢 氧化合物脱水形成的,因而继承了条带 状硅铁建造里的原生Fe(III),表明条带状 硅铁建造沉积时海水里确实存在Fe(II)到 Fe(III)的氧化。其中,第1种赤铁矿保存 了由Fe(III)氢氧化合物脱水形成后的原 始结构,晶体大小和形态都与水环境中 形成的Fe(III)氢氧化合物相似;第2种是 在后期成岩和变质过程中借助周围燧石 中结构水的作用,重结晶成粒级更大,结 晶习性更好的晶体。至于第3种,则是成 岩作用后或变质作用,或流体作用的产 物,其Fe(III)既可能来自条带状硅铁建造 的原始沉积物,也可能是后期氧化的结 果。

这一研究结果表明在条带状硅铁建 造沉积时,Fe(II)到Fe(III)的氧化作用确有 发生,亦即,光合铁氧化作用——无论是 由铁氧化菌的光合氧化,还是光合作用 产生的O2所氧化——在晚太古代到早元 古代已出现。不仅如此,该研究中所观 察到的第2种赤铁矿与Hoashi在34.6亿 年前的燧石层中所观察到的赤铁矿一 样,但该文的进一步高分辨率研究表明 这种赤铁矿也是Fe(III)氢氧化合物的脱 水产物,并非由Fe(II)和O2 直接反应生 成,因此,对Hoashi等人所提出的产氧光 合作用在34.6亿年前就已出现这一论点 提出质疑。李一良等的研究结果发表在 近期的《美国地质学会通报》上,这项研 究能否终结产氧光合作用出现之争,尚 有待更多学术证据检验。

文/李娜
(责任编辑 汤锡芳)