苏必利尔湖神秘的硫循环：打开地球的历史之窗 - 海洋地球化学循环

/ a5 x9 I8 W( L

地球化学家亚历山德拉-菲利普斯（Alexandra Phillips）对硫情有独钟。这种黄色元素是一种重要的宏量营养元素，她正试图了解它是如何在环境中循环的。具体来说，她对大约 30 亿年前地球远古海洋中的硫循环感到好奇。

一项关于模仿远古地球海洋的苏必利尔湖硫循环的研究揭示了一种新的硫循环，强调了有机硫的作用。这一发现加深了我们对地球早期化学和微生物生命进化的了解。

幸运的是，苏必利尔湖缺乏营养的水域为我们提供了一瞥过去的机会。菲利普斯曾是加州大学圣巴巴拉分校和明尼苏达大学德卢斯分校的博士后研究员，她表示，这是一个很好的窗口。她和合著者在湖中发现了一种新型硫循环。他们的研究结果发表在《湖沼学与海洋学》（Limnology and Oceanography）杂志上，重点关注有机硫化合物在这一生物地球化学循环中发挥的作用。

6 f8 K0 u- n! W, i0 g$ S

了解硫酸盐和硫化氢

% m3 ?' f1 Q" M2 E# D, n% w+ b

硫酸根离子（SO4）是环境中最常见的硫形式，也是海水的主要成分。在缺乏氧气的海洋和湖泊底部，一些微生物通过将硫酸盐转化为硫化氢（H2S）来维持生计。硫化氢的去向很复杂：它可以在呼吸过程中被微生物迅速消耗掉，也可以在沉积物中保留数百万年。将硫酸盐转化为硫化氢是一种历史悠久的职业；基因组证据表明，微生物至少在 30 亿年前就开始这样做了。

苏必利尔湖贫硫酸盐的水域可以让人们了解地球早期海洋的生物化学。图片来源：亚历山德拉-菲利普斯

但科学家们认为，硫酸盐直到大约 27 亿至 24 亿年前才开始变得丰富，当时新进化的蓝藻的光合作用开始向海洋和大气中输送大量氧气。那么，这些远古微生物从哪里获得硫酸盐呢？

2 S/ T( S* ]& I2 N# q" q# B) Q

亚历山德拉-菲利普斯（Alexandra Phillips）是一位海洋和气候科学家，精通海洋学、地球化学和地球生物学。她的研究重点是海洋和湖泊中的有机硫，以及社交媒体如何为 STEM 领域的女性树立多样化的榜样。菲利普斯还是一名科学传播者和政策官员。

~' `# q: j( N0 R% y

有机硫的意义

为了解决这个难题，菲利普斯将目光转向了有机硫，即硫与碳化合物结合的分子。这些分子包括硫脂和含硫氨基酸。在现代海洋中，硫酸盐的含量几乎是有机硫的一百万倍。她说："但在一个硫酸盐含量并不高的系统中，突然间有机硫就变得重要多了。"

资深作者、明尼苏达大学大湖天文台教授谢尔盖-卡特瑟夫（Sergei Katsev）说："长期以来，我们的思维都被从现代海洋中学到的知识所主导，因为现代海洋富含硫酸盐。Katsev是美国国家科学基金会资助项目的资深科学家。然而，要了解早期地球，就需要研究硫酸盐稀缺时出现的过程，而这正是有机硫能够改变整个范式的地方"。

( N1 X7 [5 b( V9 A* h

古代海洋的模型

; S+ L7 j4 e! d

苏必利尔湖的硫酸盐含量非常低，几乎是现代海洋的千分之一。菲利普斯说："就硫酸盐而言，苏必利尔湖看起来更接近数十亿年前的海洋，可能有助于我们了解我们无法回到过去直接观察到的过程。早期海洋的硫酸盐含量非常低，因为可用于形成二氧化硫的游离氧要少得多。"

% U K- Y: H1 A$ R ?: u* o

大湖是古代海洋的模拟物，使菲利普斯能够看到硫循环在当时类似的化学条件下是如何进行的。她想到了三个问题：

) X7 u" {. Z2 J5 Z" R

如果硫酸盐还原正在发生，是哪些微生物在起作用？

如果有机硫为这一过程提供了燃料，那么微生物喜欢哪种类型的化合物？

1 s+ ], O9 u8 O C0 m% I" ?4 f3 ^8 L

产生的硫化氢会发生什么变化？

6 F. k C! e1 r O8 L4 y6 e. C

菲利普斯和她的合作者前往苏必利尔湖，追踪有机硫从源到汇的过程。研究小组从两个地点将水和沉积物样本带回实验室进行分析：一个地点的沉积物中有充足的氧气，另一个地点则没有。硫酸盐还原通常发生在环境缺氧的地方。氧气是一种很好的资源，因此生物在可能的情况下更愿意使用氧气而不是硫酸盐。研究小组利用散弹枪元基因组学寻找带有参与硫酸盐还原基因的微生物。他们在沉积物中硫酸盐含量达到峰值的地层中发现了大量微生物。他们总共发现了八个硫酸盐还原类群。

调查有机硫偏好

% Y2 J0 B1 I- w4 |# y

研究人员随后开始确定微生物偏好哪种有机硫。他们为不同的微生物群落提供了不同形式的有机硫，并观察了结果。作者发现，微生物产生的大部分硫酸盐来自硫脂，而不是硫氨基酸。虽然这个过程需要一些能量，但比微生物随后将硫酸盐还原成硫化氢所获得的能量要少得多。

硫脂不仅是这一过程的首选，而且在沉积物中也更为丰富。硫脂是由其他微生物群落产生的，它们死亡后会漂到湖底。

在回答了"谁"和"如何"的问题后，菲利普斯将注意力转向了硫化氢的去向。在现代海洋中，硫化氢可与铁反应生成黄铁矿。但它也能与有机分子发生反应，生成有机硫化合物。她说："我们发现，湖中有大量的有机物硫化，这着实让我们感到惊讶。有机硫不仅是硫循环的助推源，也是硫化氢的最终汇。

新颖的硫循环

这种循环--从有机硫到硫酸盐再到硫化氢--对研究人员来说是全新的。菲利普斯说："研究水生系统的科学家需要开始把有机硫作为一个核心角色来考虑。这些化合物可以在苏必利尔湖等营养贫乏的环境甚至远古海洋中推动硫循环。"

$ s3 n: w; a, U1 J' G }

"在硫酸盐含量较高的系统中，这一过程可能也很重要。有机硫循环，就像我们在苏必利尔湖看到的那样，在海洋和淡水沉积物中可能无处不在。但在海洋中，硫酸盐的含量非常丰富，以至于它的行为掩盖了我们的大部分信号，"资深作者、加州大学圣巴巴拉分校生物地球化学家摩根-拉文（Morgan Raven）说。"在低硫酸盐的苏必利尔湖工作，让我们看到了沉积有机硫循环的真正动态。有机硫似乎可以作为微生物群落的能量来源，并保存有机碳和分子化石。这些因素结合在一起，可以帮助科学家了解早期硫循环微生物的进化及其对地球化学的影响。"

1 I2 L' b5 S4 `6 C

菲利普斯补充说，一些最早的生化反应可能涉及硫。"我们确信，硫在真正早期的新陈代谢中发挥了重要作用。更好地了解硫循环可以让人们了解早期生命形式是如何利用这种氧化还原化学反应的。"

, F: v7 m+ ~; r2 @