中科院南京古生物所等发现生物固氮的最早化石证据

最近，中国科学院南京地质古生物研究所早期生命研究小组的庞克博士等人在安徽寿县发现了一种“大型安徽丝状藻类”，这种藻类在大约8亿年前的新元古代碳质膜化石中具有多细胞和细胞分化的特征。研究人员认为这是早期生物固氮的最早化石证据，相关的研究结果发表在《当代生物学》杂志的网上。

作为地球上最古老的生物物种之一，蓝藻通过光合作用释放氧气，使早期地球大气逐渐从厌氧状态进化到好氧状态，从而促进其他好氧生物的进化和发展。此外，许多蓝细菌具有固氮能力。作为氨基酸和核酸的基本元素之一，氮的吸收对生物体的生存至关重要。生物体通常不能直接利用空气中的氮，而某些特殊类型的蓝细菌可以将空气中的氮转化为可被生物体吸收和利用的氮(氨NH3或铵离子NH4+)，为其他生物体提供氮源。弄清地球上固氮蓝藻的发生时间，对于了解早期生命的进化过程和地球的环境背景具有重要意义。

在目前的蓝细菌中，有一种可以固定氮的结构，称为异形细胞。异形细胞是一种特殊的厚壁细胞，缺乏光合结构，通常比正常的营养细胞大。它富含固氮酶，是蓝藻固定氮的地方。异形细胞的形成是为了在原始细胞壁外形成一层涂层，以阻止氧的进入，并确保在异形细胞内形成微氧环境，以保护固氮酶不失活，从而在富氧环境中进行固氮。据此，具有异形细胞的蓝细菌是早期生物固氮的直接证据，也是氧浓度增加的证据，但目前它们的化石记录非常罕见且有争议。

本研究中发现的大型安徽丝状藻类是单行丝状化石，被一层薄薄的橡胶外鞘所覆盖。它不仅可以单独作为丝状化石保存，还可以与其他丝状化石一起形成底栖微生物垫。海藻丝由多个细胞组成，一些营养细胞成对出现，它们是由横向二元分裂产生的子细胞。一些短丝是由母体丝分裂产生的“藻类群落”。少数比正常营养细胞大的球形细胞是厚壁组织，被海藻丝用来维持休眠。与现有蓝藻的结构相比，研究者认为安徽大型丝状藻类是一种具有异形细胞的蓝藻化石。

先前的研究发现，在比新元古代更古老的古-中元古代地层(25-10亿年前)中也保存了大量丝状蓝藻化石，但它们都没有可靠的异常细胞或厚壁孢子，这意味着具有异常细胞的蓝藻可能起源于新元古代早期。安徽大型丝状藻类的发现，将泥盆纪(约4.1亿年前)至新元古代(17-7.2亿年前)最早的具有异形细胞的蓝藻化石记录推向了新的高度，为早期生物固氮提供了最早的化石证据。

蓝藻的异形细胞是为了应对氧浓度的上升和保护对氧敏感的固氮酶而产生的。因此，安徽省的大型丝状藻类也从生物学角度证实了新元古代早期地球氧化还原环境的变化。

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图1。新元古代早期刘老北组异型细胞蓝藻化石。一、藻类定殖过程；藻殖段；C-f箭头显示厚壁孢子。

图2。新元古代早期刘老北组异型细胞蓝藻化石。A、保存在岩手标本表面的宏观微生物垫，主要由大型丝状藻类组成(箭头所示)；图f，箭头显示厚壁孢子。