早期地球的固氮行為被發現 不受重視的細菌成為關注的焦點

氮對於所有的生命形式都是至關重要的:它是蛋白質、核酸和其他細胞結構的一部分。因此,能夠將大氣中的氣態氮轉化為生物可利用的形式–銨,對於早期地球上的生命發展是非常重要的。然而,至今我們還沒有弄清楚誰在早期地球上進行了這種所謂的固氮作用,以及在哪種酶的幫助下進行的。現在,位於不萊梅的馬克斯-普朗克海洋微生物研究所的研究人員表明,在類似於原生代海洋的貧瘠條件下,一個以前未被重視的細菌群體能夠非常有效地固氮。

由於很難直接研究原生代海洋,來自不萊梅馬克斯·普朗克研究所的研究人員Miriam Philippi和Katharina Kitzinger及其同事用一個可比較的現代棲息地來代替它。瑞士的高山湖泊Cadagno與大多數其他湖泊不同,Cadagno湖是永久分層的,這意味著上層和下層的水不混合。紫硫細菌居住在上層含氧層和下層無氧和含硫層之間的過渡區,在那里,它們進行光合作用並氧化硫磺。

早期地球的固氮行為被發現 不受重視的細菌成為關注的焦點

該研究的第一作者Philippi說:”這組微生物化石的發現表明,至少在16億年前的原生代,它們已經生活在我們的星球上。因此,這個湖和這些細菌代表了一個在許多方面與原生代海洋相似的系統。因此,它是如此適合於學習更多關於早期地球的演變過程。”

早期地球的固氮行為被發現 不受重視的細菌成為關注的焦點

淡水Cadagno湖中的紫硫細菌(上圖,綠色和紫色),以及用nanoSIMS測量的其單細胞固氮活性(下圖,暖色表示高活性)。

利用生物地球化學和分子分析的結合,Philippi及其同事發現,Cadagno湖中的紫硫細菌非常有效地固定氮。固氮是將活性不高的氮氣轉化為許多生物體可以使用的氮化合物,例如,藻類。”據我們所知,這是自然界中紫硫細菌固氮的第一個直接證據,”共同作者Katharina Kitzinger解釋說。

“我們發現它們使用了現今最常見的酶,即鉬制氮酶來做這件事。盡管這種酶並不罕見,但我們非常驚訝地在卡達諾湖發現了它。”這是因為水中只有很少的鉬–就像在原生代的海洋中一樣,這使得研究人員相信在早期地球上非鉬制氮酶占主導地位。”現在我們知道,即使在低鉬濃度下,鉬制氮酶也能非常有效地工作。”

“第一個提示表明紫硫細菌可能部分地負責了原生代海洋的固氮作用,直到現在,人們普遍認為藍細菌在當時進行了大部分的固氮作用,紫硫細菌在這個過程中的作用可能被低估了”。

來源:cnBeta