地球化學家亞歷山德拉-菲利普斯（Alexandra Phillips）對硫情有獨鍾。這種黃色元素是一種重要的宏量營養元素，她正試圖了解它是如何在環境中循環的。具體來說，她對大約30 億年前地球遠古海洋中的硫循環感到好奇。

一項關於模仿古代地球海洋的蘇必利爾湖硫循環的研究揭示了一種新的硫循環，強調了有機硫的作用。這項發現加深了我們對地球早期化學和微生物生命演化的了解。

幸運的是，蘇必利爾湖缺乏營養的水域為我們提供了一瞥過去的機會。菲利普斯曾是加州大學聖塔芭芭拉分校和明尼蘇達大學德盧斯分校的博士後研究員，她表示，這是一個很好的窗口。她和合著者在湖中發現了一種新型硫循環。他們的研究結果發表在《湖沼學與海洋學》（Limnology and Oceanography）雜誌上，重點在於有機硫化合物在這生物地球化學循環中所扮演的角色。

了解硫酸鹽和硫化氫

硫酸根離子（SO4）是環境中最常見的硫形式，也是海水的主要成分。在缺乏氧氣的海洋和湖泊底部，一些微生物透過將硫酸鹽轉化為硫化氫（H2S）來維持生計。硫化氫的去向很複雜：它可以在呼吸過程中被微生物迅速消耗掉，也可以在沉積物中保留數百萬年。將硫酸鹽轉化為硫化氫是一種歷史悠久的職業；基因組證據表明，微生物至少在30 億年前就開始這樣做了。

蘇必利爾湖貧硫酸鹽的水域可以讓人們了解地球早期海洋的生物化學。圖片來源：亞歷珊卓-菲利普斯

但科學家認為，硫酸鹽直到大約27 億至24 億年前才開始變得豐富，當時新進化的藍藻的光合作用開始向海洋和大氣中輸送大量氧氣。那麼，這些遠古微生物從哪裡獲得硫酸鹽呢？

亞歷山德拉-菲利普斯（Alexandra Phillips）是一位海洋和氣候科學家，精通海洋學、地球化學和地球生物學。她的研究重點是海洋和湖泊中的有機硫，以及社群媒體如何為STEM 領域的女性樹立多樣化的典範。菲利普斯也是科學傳播者和政策官員。

有機硫的意義

為了解決這個難題，菲利普斯將目光轉向了有機硫，也就是硫與碳化合物結合的分子。這些分子包括硫脂和含硫氨基酸。在現代海洋中，硫酸鹽的含量幾乎是有機硫的一百萬倍。她說：”但在一個硫酸鹽含量並不高的系統中，突然間有機硫就變得重要多了。”

資深作者、明尼蘇達大學大湖天文台教授謝爾蓋-卡特瑟夫（Sergei Katsev）說：”長期以來，我們的思維都被從現代海洋中學到的知識所主導，因為現代海洋富含硫酸鹽。Katsev是美國國家科學基金會資助計畫的資深科學家。然而，要了解早期地球，就需要研究硫酸鹽稀缺時出現的過程，而這正是有機硫能夠改變整個範式的地方”。

古代海洋的模型

蘇必利爾湖的硫酸鹽含量非常低，幾乎是現代海洋的千分之一。菲利普斯說：”就硫酸鹽而言，蘇必利爾湖看起來更接近數十億年前的海洋，可能有助於我們了解我們無法回到過去直接觀察到的過程。早期海洋的硫酸鹽含量非常低，因為可用於形成二氧化硫的遊離氧要少得多。”

大湖是古代海洋的模擬物，使菲利普斯能夠看到硫循環在當時類似的化學條件下是如何進行的。她想到了三個問題：

如果硫酸鹽還原正在發生，是哪些微生物在運作？

如果有機硫為此過程提供了燃料，那麼微生物喜歡哪種類型的化合物？

產生的硫化氫會發生什麼變化？

菲利普斯和她的合作者前往蘇必利爾湖，追蹤有機硫從源頭到匯的過程。研究小組從兩個地點將水和沈積物樣本帶回實驗室進行分析：一個地點的沉積物中有充足的氧氣，另一個地點則沒有。硫酸鹽還原通常發生在環境缺氧的地方。氧氣是一種很好的資源，因此生物在可能的情況下更願意使用氧氣而不是硫酸鹽。研究團隊利用散彈槍元基因體學尋找帶有參與硫酸鹽還原基因的微生物。他們在沉積物中硫酸鹽含量達到高峰的地層中發現了大量微生物。他們總共發現了八個硫酸鹽還原類群。

調查有機硫偏好

研究人員隨後開始確定微生物偏好哪一種有機硫。他們為不同的微生物群落提供了不同形式的有機硫，並觀察了結果。作者發現，微生物產生的硫酸鹽大部分來自硫脂，而不是硫氨基酸。雖然這個過程需要一些能量，但比微生物隨後將硫酸鹽還原成硫化氫所獲得的能量要少得多。

硫脂不僅是此過程的首選，而且在沉積物中也更為豐富。硫脂是由其他微生物群落產生的，它們死亡後會漂到湖底。

在回答了”誰”和”如何”的問題後，菲利普斯將注意力轉向了硫化氫的去向。在現代海洋中，硫化氫可與鐵反應生成黃鐵礦。但它也能與有機分子反應，生成有機硫化合物。她說：『我們發現，湖中有大量的有機物硫化，這著實讓我們感到驚訝。有機硫不僅是硫循環的助推源，也是硫化氫的最終匯。

新穎的硫循環

這個循環–從有機硫到硫酸鹽再到硫化氫–對研究人員來說是全新的。菲利普斯說：”研究水生系統的科學家需要開始把有機硫作為一個核心角色來考慮。這些化合物可以在蘇必利爾湖等營養貧乏的環境甚至遠古海洋中推動硫循環。”

「在硫酸鹽含量較高的系統中，這個過程可能也很重要。有機硫循環，就像我們在蘇必利爾湖看到的那樣，在海洋和淡水沉積物中可能無處不在。但在海洋中，硫酸鹽的含量非常豐富，以至於它的行為掩蓋了我們的大部分信號，」資深作者、加州大學聖巴巴拉分校生物地球化學家摩根-拉文（Morgan Raven）說。”在低硫酸鹽的蘇必利爾湖工作，讓我們看到了沉積有機硫循環的真正動態。有機硫似乎可以作為微生物群落的能量來源，並保存有機碳和分子化石。這些因素結合在一起，可以幫助科學家了解早期硫循環微生物的演化及其對地球化學的影響。”

菲利普斯補充說，一些最早的生化反應可能涉及硫。「我們確信，硫在真正早期的新陳代謝中發揮了重要作用。更好地了解硫循環可以讓人們了解早期生命形式是如何利用這種氧化還原化學反應的。”