地球岩石记录及火星沉积物中微生物活动的识别或可借助地球化学研究

由于含氧硫酸盐矿物会捕获并保存来自地球大气的信号，科学家们密切研究它们的形成过程。硫酸盐在数十亿年中都很稳定，因此其氧同位素被视为一个时间胶囊，反映了早期地球——甚至可能包括其行星邻居火星——在演化过程中的大气条件。

由犹他大学的一位地球化学家领导的一项新研究，对比了在富含微生物的环境与没有微生物的环境中，黄铁矿（俗称“愚人金”）被氧化时，硫酸盐是如何形成的。研究人员将重点放在西班牙的力拓河，这是一条受污染的河流，流经一个开采铁和铜达数千年的地区。

这篇题为《黄铁矿与氧气长期直接生物浸出的三重氧同位素证据》的论文发表在《地球与行星科学快报》上。

安达卢西亚山区留下的可能是一场环境灾难，但科学家现在将其视为火星表面可能曾经面貌的模拟环境。

这种酸性矿山排水富含硫酸盐以及已知能氧化硫和铁的细菌。研究团队测量了硫酸盐中的“三重氧同位素”（¹⁷O/¹⁶O和¹⁸O/¹⁶O的比率），以确定与水相比，有多少氧直接来自空气。

“这是我们首次在户外而非实验室中发现，如果环境条件恰到好处，氧气（O₂）和黄铁矿中的硫之间的这种直接反应就能持续进行，” 该研究的第一作者、地质与地球物理系副研究教授伊萨克·科尔（Issaku Kohl）说。

“因为我们已经能够确定这个特定环境，所以现在有了地球化学标记或标准，让你能够在地球或外星的岩石记录中，找到类似的环境或类似环境的遗迹。”

这项研究聚焦于一种名为氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans）的细菌，它被认为是最早的微生物进化枝之一，可能在光合作用进化之前就产生了能量。

研究团队发现，在富含微生物的酸性环境中，氧化亚铁硫杆菌促使黄铁矿氧化，使得硫酸盐中保留了极高比例（超过80%，最高可达90%）的大气氧（O₂）。

与实验室实验不同，在实验室中随着硫酸盐从水中吸收氧气，这种信号会迅速消失，而力拓河的微生物活跃生态系统却保持着这种强烈的大气印记。

因此，硫酸盐矿床不仅保留了大气和环境条件，还可能携带微生物 “生物特征”。这些特征可以帮助科学家解读火星或古代地球岩石中的硫酸盐矿物，将其作为大气条件和微生物活动的潜在记录。

火星沉积物中含有丰富硫酸盐矿物的蒸发岩，但科学家们尚不清楚这些硫酸盐是如何形成的。

“目前最受青睐的假设是，它是通过火山二氧化硫（SO₂）的大气氧化形成的。但这样的环境有明显的地球化学特征，表明它是否可能在相对高温的大气中雾化并氧化，因此不太可能与生命有关，” 科尔说。

但这并不排除在局部环境中，可能存在过在水 – 岩石界面氧化的超酸性流体，就像科尔的实验和力拓河产生硫酸盐的方式一样。

这项研究概述了一种分析火星沉积物中氧同位素数据以寻找生命迹象的方法，如果有朝一日能将样本带回地球的话。美国国家航空航天局（NASA）的 “好奇号” 和 “毅力号” 火星车分别自2012年和2021年以来一直在收集样本，希望有朝一日能在未来前往火星的任务中将它们带回地球。

但科尔强调，要确定火星岩石样本是否能确凿证明过去存在微生物生命，科学研究仍有两步之遥。首先，这些样本必须表明其来自极低pH值（酸性）、以氧气氧化为主且富含特定铁离子（Fe²⁺）的环境。

“当我们试图将岩石记录与我们在现代实时处理的环境联系起来时，我们永远无法摆脱假设，” 科尔说。“如果我们假设知道硫酸盐中大气氧的含量，我们就可以反推形成这些硫酸盐所涉及的氧气的同位素组成。”

在我们等待星际航行为我们带来火星岩石的同时，这些发现可能为研究数十亿年前地球的环境条件开辟新的调查方向，那时微生物生命开始进化，氧气首次出现在大气中。