美國國家航空暨太空總署（NASA）支持的科學家研究了微生物生命與地球環境之間錯綜複雜的長期關聯。透過回顧微生物學、分子生物學和地質學等領域的知識現狀，該研究探討了微生物是如何塑造地球海洋、陸地和大氣層的化學特性，又是如何被這些化學特性所塑造的。該研究結合了多個研究領域的數據，討論瞭如何不能孤立地看待來自單一領域的有關地球上生命複雜歷史的資訊。

了解微生物化石

地球上最早的生命是微生物。今天，地球上的絕大多數生物仍然是由微小的單細胞微生物組成的。雖然微生物種類繁多，但對天體生物學家來說，研究微生物的歷史是一項挑戰。微生物不會像恐龍、魚類或其他大型生物一樣留下骨骼、貝殼或其他大型化石。正因如此，科學家必須尋找不同的證據來了解微生物生命的演化過程。

土耳其薩爾達湖沿岸的岩石是由微生物長期吸附水中的礦物質形成的。這些微生物岩曾經是地球上的一種主要生命形式。資料來源：NASA/JPL-Caltech

為了研究地球上的古代微生物，天體生物學家在岩石中尋找同位素指紋，用來確定古代群落的新陳代謝。新陳代謝是指將食物轉化為能量，在所有生物體內都會發生。許多元素（如碳（C）、氮（N）、硫（S）、鐵（Fe））都參與了微生物的新陳代謝。當微生物處理這些元素時，它們會引起同位素變化，科學家可以在岩石記錄中發現這些變化。微生物也有助於控制這些元素在環境中的沉積和循環，從而影響當地和全球範圍內的地質和化學（考慮微生物在當今地球碳循環中的作用）。

遺傳學和地質學啟示

研究遠古微生物生命的另一種方法是沿著當今生命遺傳學所包含的演化資訊進行回溯。將分子生物學中的遺傳訊息與岩石記錄中的地球生物學資訊結合，有助於天體生物學家了解早期地球與早期生命共同演化之間的關聯。

關於微生物新陳代謝的地質證據，我們可以從古海底的帶狀鐵層（BIFs）的形成來舉例說明。這些由富含鐵和矽的沉積物交替組成的多彩層形成於38 億至18 億年前，與地球上一些最古老的岩層有關。它們呈現的紅色是由於含鐵量高，向我們展示了在這些岩石形成的20 億年裡，地球海洋富含鐵元素。

土耳其薩爾達湖岸邊的許多微生物結構隨著水位下降而暴露出來，讓科學家得以研究生命與周圍環境之間的關係。圖片來源：Tim Lyons/UCR

在這項新研究中，研究小組回顧了目前的知識，收集了微生物生命使用的早期新陳代謝、這些新陳代謝進化的時間，以及這些過程如何與地球上的主要化學和物理變化（如海洋和大氣的含氧量）相關聯的資訊。

進化和氧化作用

隨著時間的推移，地球上海洋、大氣和陸地中的氧氣含量發生了巨大變化。這些變化對生物圈和環境的演化都產生了影響。例如，光合生物的活動提高了大氣中的氧氣含量，為微生物創造了新的生存環境。生命可以獲得不同的營養素來促進生長。同時，無法在氧氣環境中生存的微生物必須適應、滅亡，或是想辦法在沒有氧氣的環境中生存，例如地球表面下的深處。

澳洲的疊層石化石照片。這些古老的結構是由生活在層狀、墊狀菌落中的微生物活動所形成的。圖片來源：NASA/Mike Toillion

這項新研究解釋了我們對氧氣水平如何隨時間和空間尺度變化的理解。作者將不同類型的微生物新陳代謝（如光合作用）映射到這段歷史中，從而更好地理解了氧氣與地球生命進化之間的”因果關係”。這篇論文為生物圈和地球演化過程中的重大變化提供了重要背景。

生物地球化學循環與演化影響

透過仔細研究地球上不同類型微生物新陳代謝的歷史，這篇綜述論文展示了地球上的生物地球化學循環是如何在局部和全球範圍內隨著時間的推移而密不可分地聯繫在一起的。作者也討論了我們的知識中存在的限制解釋的重大差距。例如，我們不知道地球上年輕的生物圈有多大，這就限制了我們估計地球最早時期各種新陳代謝對全球影響的能力。

同樣，當利用遺傳資訊沿著生命之樹回溯時，科學家可以估算出某些基因首次出現的時間（從而推測出當時活細胞中可能使用的新陳代謝類型）。然而，在歷史的某個時刻進化出一種新型的新陳代謝並不一定意味著這種新陳代謝是常見的或在環境中產生了足夠大的影響，從而在岩石記錄中留下了證據。

這是系外行星WASP-39 b（又稱Bocaprins）的插圖。美國國家航空暨太空總署的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡在2022年11月發布的WASP-39 b分析報告中對系外行星的大氣層進行了有史以來最詳細的分析。韋伯的近紅外線攝譜儀（NIRSpec）顯示了大氣中存在二氧化碳的明確證據，而美國宇航局哈伯和斯皮策太空望遠鏡以及其他望遠鏡之前的觀測結果表明，大氣中存在水蒸氣、鈉和鉀。這顆行星可能有雲層和某種形式的天氣，但可能沒有像木星和土星那樣的大氣帶。這張圖是根據韋伯望遠鏡以及其他太空和地面望遠鏡的間接凌日觀測結果繪製的。韋伯還沒有捕捉到這顆行星的直接影像。資料來源：NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted（STScI）

結論和對地外生命的影響

作者說：”微生物生命的歷史與海洋、陸地和大氣的歷史同步進行，我們對早期地球環境的了解仍然有限。”

這項研究也對尋找地球以外的生命有更廣泛的意義。了解生命與環境的共同演化有助於科學家更理解行星宜居的必要條件。生命與環境之間的相互連結也為尋找繞著遙遠恆星運行的行星大氣中的生物特徵氣體提供了重要線索。

編譯自/ ScitechDaily