古代海水的再现揭示了哪些营养物质塑造了早期生命的进化

科学家们对生命最初进化时海洋的条件知之甚少，但发表​​在《自然地球科学》上的新研究揭示了地质过程如何控制哪些营养物质可为其发育提供燃料。

所有生命都利用锌和铜等营养物质来形成蛋白质。最古老的生命形式是在太古宙进化而来的，比恐龙首次出现早了三十亿年。与最近的同类相比，这些微生物表现出对钼和锰等金属的偏好。这种偏好被认为反映了当时海洋中金属的可用性。

开普敦大学(UCT)和牛津大学的研究人员在实验室中重现了古代海水。他们发现，太古代岩石中常见的矿物绿钠石会迅速形成，并在此过程中去除锌、铜和钒。

由于绿钠石在早期海洋中形成，这些金属会从海水中被去除，从而使海水富含其他金属，如锰、钼和镉。有趣的是，他们预测太古代海水中最丰富的金属与早期生命形式选择的金属相匹配，这解释了为什么它们在早期进化过程中受到青睐。

首席研究员罗莎莉·托斯特文(RosalieTostevin)博士(该研究当时就读于牛津大学，现为加州大学河滨分校地质科学系高级讲师)表示：“当我们注意到我们的结果与生物学家使用完全不同的方法。当其他领域的专家得出类似的发现时，总是令人放心。”

科学家们一致认为，太古代海水与今天有很大不同，溶解了更多的铁和二氧化硅，而氧气很少甚至没有。然而，对于海水化学的其他方面，例如营养物浓度，却几乎没有达成一致。

“我们无法及时返回海水样本并对其进行分析，因此重建太古代条件是一项相当大的挑战。一种方法是观察沉积岩的化学组成，但非常古老的岩石的化学成分有时会发生改变。相反，我们决定在实验室中创建一个古代海水的微型版本，这样我们就可以直接观察正在发生的事情，”托斯特文说。

托斯特文和她的同事伊马德·艾哈迈德在一个特殊的无氧室内重现了太古宙海水，并观察了绿岩的开始形成。他们观察到随着矿物质的形成，海水中金属浓度发生了巨大变化。他们在钻石光源同步加速器上使用X射线吸收光谱来证明金属进入了矿物中。相比之下，其他金属并未受到这一过程的影响，并且在海水中保持在较高水平。

托斯特文说：“我们知道绿钠石在早期地球上很重要，因为我们不断在古老的岩石中发现它，例如南非北开普省的铁矿石和澳大利亚的类似岩石。我们认为这可能是太古宙中最重要的矿物。但我们并不确切知道绿钠石在自然界中是如何形成的。一种可能性是绿钠石在海洋深处的热液喷口处形成。但它也可能在浅水区形成，只要有热液喷口的地方。pH值变化很小。”

托斯特文和艾哈迈德决定在这两种条件下进行实验，发现无论绿钠石如何形成，它都会以类似的方式去除金属。

研究人员担心的一个问题是，这些金属是否会被长期锁定，或者在几个月或几年后释放回海水中。为了测试这一点，他们加热了矿物质，以模拟它们被埋藏和结晶时自然界中发生的情况。这些金属仍然被困在矿物中，表明这是一个永久的金属汇，对早期海水产生了深远的影响。

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