麻省理工最新研究表明地球冰冻时期 融水池可能孕育了复杂的生命

当地球进入深度冰冻状态时，生命在哪里生存？麻省理工学院的科学家认为，地球冰面上散布的融水池可能是生命得以生存的避难所之一。在《自然通讯》发表的一项研究中，研究人员认为，在 6.35 亿至 7.2 亿年前——当时地球大部分被冰封的“雪球地球”时期——一些早期的复杂生命形式可能在浅融水池中生存下来。

研究小组发现，真核生物——最终演化出所有多细胞生命的复杂细胞——可能在赤道附近浅冰盖表面形成的小水体中存活下来。在这些区域，尘埃和碎屑可能使冰面变暗，增加热量吸收，导致局部融化。在接近0摄氏度的温度下，这一过程可能为早期生命创造了适宜居住的融水环境。

为了支持他们的假设，研究人员将目光转向了南极洲如今的类似情况。他们沿着冰盖边缘研究了与雪球地球时期可能存在的小型融水池类似的情况。

研究团队从麦克默多冰架上的多个池塘采集了样本。罗伯特·法尔肯·斯科特1903年探险队的成员曾将麦克默多冰架描述为“脏冰”。麻省理工学院的科学家们在采样的每个池塘中都发现了真核生物存在的证据。这些生命形式的组成在各个池塘中各不相同，展现出惊人的生物多样性。他们还观察到，盐度对现存生物的类型有显著的影响：盐度较高的池塘拥有更相似的群落，而水质较淡的池塘则拥有截然不同的种群。

怀卡托大学的研究人员伊恩·霍斯和奥塔哥大学的马克·沙伦伯格测量了融水池的物理化学条件。图片来源：罗杰·萨蒙斯

“我们已经证明，融水池是早期真核生物在这些全球性冰川事件中可能躲藏的候选地点，”该研究的主要作者、麻省理工学院地球、大气与行星科学系（EAPS）的研究生法蒂玛·侯赛因（Fatima Husain）说道。“这表明，在这类环境中，多样性是存在的，也是可能的。这实际上是一个关于生命韧性的故事。”

该研究的麻省理工学院合著者包括斯伦贝谢地质生物学教授罗杰·萨蒙斯（Roger Summons）和前博士后研究员托马斯·埃文斯（Thomas Evans）。其他合作者包括卡迪夫大学的贾斯敏·米勒（Jasmin Millar）、伦敦自然历史博物馆的安妮·荣布鲁特（Anne Jungblut）以及新西兰怀卡托大学的伊恩·霍斯（Ian Hawes）。

“雪球地球”是地球历史上冰封时期的俗称。它通常指成冰纪时期发生的两次连续、持续数百万年的冰川期，地质学家称之为6.35亿至7.2亿年前的时期。地球当时究竟更像一个坚硬的雪球，还是一个更柔软的“泥球”，仍有争议。但科学家们可以肯定一件事：地球的大部分地区都陷入了深度冰冻，全球平均气温降至零下50摄氏度。问题是：生命是如何以及在哪里生存下来的？

“我们感兴趣的是了解地球上复杂生命的基础。我们在化石记录中发现了元古代前后真核生物存在的证据，但我们在很大程度上缺乏它们可能生活在哪里的直接证据，”侯赛因说。“这个谜团的重点在于，我们知道生命曾经幸存下来。我们只是试图了解它们是如何以及在哪里生存下来的。”

一块海洋海绵从海底被运送到麦克默多冰盖融水池附近的表面。图片来源：Roger Summons

关于生物在雪球地球时期可能在哪里避难，存在许多想法，包括某些开阔海洋区域（如果存在这样的环境）、深海热液喷口及其周围以及冰盖下。在考虑融水池时，Husain 和她的同事们提出了一个假设，即当时地表冰融水可能也能够支持早期真核生物的存在。

“关于生命在元古代可能在哪里生存和庇护，有很多假设，但我们并没有所有假设都找到完美的类比，”侯赛因指出。“如今地球上存在冰上融水池，而且可以接触到，这让我们有机会真正关注生活在这些环境中的真核生物。”

在这项新研究中，研究人员分析了从南极洲融水池采集的样本。2018年，萨蒙斯和来自新西兰的同事前往东南极洲麦克默多冰架的某个区域，该区域以拥有小型融冰池而闻名，每个融冰池只有几英尺深，几米宽。在那里，水会一直冻结到海底，在这个过程中，深色沉积物和海洋生物会被困住。风力驱动的冰从海面流失，形成了一种传送带，随着时间的推移，这些被困的碎片会被带到海面，在那里吸收太阳的热量，导致冰融化，而周围没有碎片的冰会反射入射的阳光，从而形成浅的融水池。

每个池塘的底部都覆盖着一层微生物垫，这些微生物垫经过多年的积累，形成了一层层的粘性细胞群落。

“这些垫子厚度可达几厘米，色彩鲜艳，而且层次分明，”侯赛因说。

这些微生物垫由蓝藻构成，蓝藻是一种原核单细胞光合生物，缺乏细胞核或其他细胞器。虽然这些古老的微生物已知能够在地球上一些最恶劣的环境中生存，包括融水池，但研究人员想知道真核生物——进化出细胞核和其他膜结合细胞器的复杂生物——是否也能经受住类似的严峻考验。回答这个问题需要的不仅仅是显微镜，因为微生物垫中存在的微小真核生物的特征过于细微，肉眼无法区分。

从融水池边缘采集的蓝藻垫碎片。图片来源：Roger Summons

为了鉴定真核生物，研究小组分析了微生物垫中它们产生的特定脂质（称为固醇）以及被称为核糖体核糖核酸 (rRNA) 的遗传成分，这两种成分都可用于识别具有不同特异性程度的生物体。这两组独立的分析为某些真核生物群体提供了互补的指纹。作为脂质研究的一部分，他们在微生物垫中发现了许多与特定类型的藻类、原生生物和微生物密切相关的固醇和 rRNA 基因。研究人员能够评估不同池塘中脂质和 rRNA 基因的类型和相对丰度，并发现这些池塘中真核生物的多样性令人惊叹。

“没有两个池塘是相同的，”侯赛因说。“它们有一些重复的特征，但丰度不同。我们在所有研究的池塘中都发现了来自所有主要类群的多样化真核生物群落。这些真核生物是雪球地球时期幸存下来的真核生物的后代。这确实凸显了雪球地球时期的融水池塘可能充当了冰上绿洲，滋养了真核生物，从而促进了后来复杂生命（包括我们人类）的多样化和繁衍。”

编译自/scitechdaily