新的演化时间表-重新评估太古代岩石中的生物标志物

日期:2018-05-16 浏览:24

新数据显示,具有细胞核的第一个单细胞生物体起源于先前指出的生物地球化学证据超过十亿年以上。 / em

受污染的样本显然在生活时间表中造成了一些混乱。在超清洁分析的基础上,包括马克斯普朗克生物地球化学研究所在内的国际团队已经否定了假设真核生物起源于2.5亿至28亿年前的证据。与原核生物如细菌相反,真核生物具有细胞核。一些研究人员认为他们已经发现了截至28亿年前岩石样品中活生物体的分子残余物。然而,正如目前的研究显示,这些分子痕迹是由污染引入的。真核生物存在的最古老的证据现在是由微生物提供的,它们是ca. 15亿年前。

变形虫与人类的关系比细菌更密切,至少在生命之树中。像哺乳动物一样,它们属于真核生物的领域,而细菌是原核生物。因此,第一批真核生物确实是包括人类在内的所有更高生命形式的原始祖先。在这个意义上说,当真核细胞出现时,进化向复杂的生命形式迈进了一大步。所谓的共生现象是造成两个或两个以上单细胞细菌融合成一个具有细胞核和细胞器的新生物体,这是让我们今天周围的大多数生物体得以进化的基本先决条件。

为了理解生命形式是如何形成的,进化生物学家想要知道第一批真核生物何时以及在什么条件下进入现场。一个国际团队参与了马克斯·普朗克生物地球化学研究所克里斯蒂安·霍尔曼小组的研究人员的研究,现在正围绕着这些问题提供关键的论据。

化石和化学痕迹之间的差距

最广为人知的最古老的微化石是真核生物的残骸。澳大利亚北部15亿年前的岩石。研究人员从微藻学研究中分析了这些化石的形态,并将它们确定为微藻残留物。在追踪更高生命形式起源的替代尝试中,科学家分析了真核生物细胞壁中所含的某些脂质分子(类固醇)。它们不仅可以作为某些生物群体的高度特异性标记,而且在正确的条件下也可以在极长的时间内在沉积物中存活。 “通过分析这种分子,即所谓的生物标志物,我们可以在分子水平上重建地球上的早期生命”,马克斯普朗克研究小组的有机古生物化学领域的负责人克里斯蒂安哈尔曼说。

自2012年以来,霍尔曼的团队一直致力于提高我们对于环境条件如何发展以及生命多样性从地球创建到动物生命(即前寒武纪)期间出现的认识。 Hallmann解释说:“我们对这个具有巨大进化兴趣的时期的理解,正从这种分子方法中获益匪浅。”古生物学家及其工作人员现在已经分析了高达27亿年前的岩石样本以寻找分子痕迹。

类固醇分子可以作为甾烷保存在旧的沉积物中,换句话说就是史前海洋和湖泊的石化床。而且由于在过去的15年中越来越多的科学家已经在2.5至28亿年的沉积物样品中一再发现这些分子痕迹,他们得出结论认为真核藻类已经存在于这个时期,即在太古代晚期。因此,这些生物标志物的最早沉积物和最古老的化石微藻之间出现了超过十亿年的差距。

超清洁采样旨在澄清污染问题

另外,大量类固醇的发现指向代表各种藻类物种的看似现代模式。 “起初有人猜测这可能表明藻类在很早的时候就已经分裂成了不同的物种”,Christian Hallmann说。 “但怀疑这些研究中的样品可能已经受到污染,尽管采取了广泛的预防措施。”问题是,太古代样品材料要么没有在特殊条件下采集,要么已经存储了几年,条件不是理想。 Hallmann继续说:“污染问题逐渐将我们的科学家分为两个相互冲突的阵营。”

Hallmann与麻省理工学院(MIT)的Katherine French合作,因此开发了一种从被归类为含有类固醇的最古老岩石中提取超净样品的方法。科学家们与华盛顿大学的罗杰别克一起,在2012年的“Agouron研究所钻探项目(AIDP)”期间,在偏远的澳大利亚内陆地区钻探并采集岩石样本数周,并在此过程中采取了前所未有的预防措施以防止污染。

甚至没有皮克的真核类固醇

法国人,Hallmann和其他同事拆开了这些钻芯,并在几个独立的实验室进行了分析 - 结果令人惊叹。 Hallmann接着说:“我最大的担忧就是不得不在实验室发现样品已经被污染了,尽管我们过度努力。 “然后,整个努力都没有用。”然而,样品非常干净 - 实际上很干净,因此各实验室的高灵敏质谱仪甚至无法检测到皮克数量的土着真核类固醇。确认早期样本可能已被污染的怀疑。

与此同时,研究人员在岩石中发现了相当多的所谓钻石和多环芳烃。霍尔曼称之为'排气特征',因为这些分子也存在于内燃机的废气中,并且它们指向已经在高温下改性的有机材料。 “这些样品中的整个有机物质在数十亿年的过程中被压力和温度改变,并且没有生物标志物分子能够存活。因此,我们无法对材料的原始生物特征作出任何结论“,Hallmann说。

无论如何,据推测27亿年前的类固醇分子不能再作为真核生物早于化石记录所表明的起源的证据。因此,现在约有15亿年的微化石必须被视为地球上真核生物的最古老证据 - 这种洞察力预计不仅会在地球科学领域产生重大后果。

生物标志物仍然是前寒武纪古生物学的重要工具

法国和Hallmann的研究结果不仅有助于澄清真核生物何时起源,它们还有助于解决进一步的难题:由于所有真核生物都需要氧气,产氧(含氧)光合作用的发展必须先于向真核生物的进化过渡。随着大气逐渐富含氧气,这种生物化学创新的后果被称为“大氧化事件”,改变了整个地球。这个事件显然是在2.5亿至24亿年前。迄今为止,很难解释真核生物早在几亿年前就已经起源了,因为它们固有地依赖于获得分子氧。

“使用精心设计的技术和大规模的国际合作流程,我们能够回答分子地球生物学中的一个主要问题”,Hallmann说。尽管有了这些新的见解,老岩石中的生物标志物仍然是前寒武纪古生物调查的重要工具,不仅仅是因为沉积类固醇和其他生物标志物可能比微化石更具体。与研究的太古代岩石形成对照的是,地球上晚期前寒武纪沉积盆地含有各种各样的岩石,其有机物质保存较好,可用于生物标志物的检测。 “随着真核生物晚些时候获得的知识,我们现在可以在新的背景下研究藻类真正的早期演化,并且获得成功的前景大大增强。”

出版物:Katherine L. French等人,“重新评估太古代岩石中的烃生物标志物”,PNAS,2015年5月12日; doi:10.1073 / pnas.1419563112

Source:Max Planck Institute

图片:Christian Hallmann