蘇必利爾湖硫酸鹽含量低的水域可以為地球早期海洋的生物化學提供洞見。信用:uux.cn/亞曆山德拉菲利普斯
（神秘的地球uux.cn）據加州大學聖巴巴拉分校（哈裏森·塔索夫）：地球化學家亞曆山德拉·菲利普斯對硫磺念念不忘。黃色元素是一種重要的常量營養元素，她試圖了解它是如何在環境中循環的。具體來說，她對大約30億年前地球古老海洋中的硫循環很好奇。
幸運的是，營養不良的蘇必利爾湖為我們提供了一個很好的回顧過去的機會。“真的很難回溯幾十億年，”菲利普斯說，他是加州大學聖巴巴拉分校和明尼蘇達大學德盧斯分校的前博士後研究員。“所以這是一個很好的窗口。”她和她的合作者在湖中發現了一種新的硫循環。他們的發現發表在《湖沼學和海洋學》上，集中關注有機硫化合物在這個生物地球化學循環中的作用。
硫酸根離子(SO4)是環境中最常見的硫形式，也是海水的主要成分。在海洋和湖泊的底部，氧氣變得不可用，一些微生物通過將硫酸鹽轉化為硫化氫來生存(H2S)。
這種硫化氫的命運很複雜；它可以在呼吸過程中被微生物迅速消耗，也可以在沉積物中保留數百萬年。將硫酸鹽轉化為硫化氫是一個曆史悠久的職業；基因組證據表明，微生物已經這樣做了至少30億年。
但科學家認為，硫酸鹽直到大約27至24億年前才變得豐富，當時新進化的藍藻的光合活動開始向海洋和大氣中注入大量氧氣。那麽這些古老的微生物是從哪裏獲得硫酸鹽的呢？
考慮到這一困境，菲利普斯將注意力轉向有機硫，即硫與碳化合物結合的分子。這些包括硫脂和含硫氨基酸。在現代海洋中，硫酸鹽的含量幾乎是有機硫的一百萬倍。“但是在一個沒有太多硫酸鹽的係統中，有機硫突然變得非常重要，”她說。
“很長一段時間，我們的思維被我們能從富含硫酸鹽的現代海洋中學到的東西所主導，”資深作者、明尼蘇達大學大湖天文台教授謝爾蓋·卡采夫說。卡采夫擔任該項目的高級科學家。“然而，要了解早期地球，需要觀察硫酸鹽稀缺時出現的過程，這就是有機硫可以改變整個範式的地方。”
恰好蘇必利爾湖含有很少的硫酸鹽，比現代海洋少近一千倍。菲利普斯說:“就硫酸鹽而言，蘇必利爾湖看起來更接近數十億年前的海洋，可能有助於我們理解我們無法直接觀察的過程。”早期的海洋幾乎沒有硫酸鹽，因為形成SO4的遊離氧少得多。
五大湖是古代海洋的模擬，使菲利普斯能夠看到硫循環在類似的化學條件下是如何進行的。她心裏有三個問題:
1.如果硫酸鹽還原正在發生，是哪些微生物造成的？
2.如果有機硫推動了這一過程，那麽微生物更喜歡什麽類型的化合物呢？
3.那麽，產生的硫化氫會怎麽樣呢？
菲利普斯和她的合作者前往蘇必利爾湖，從源頭到匯追蹤有機硫。該小組從兩個地點將水和沉積物樣本帶回實驗室進行分析:一個地點沉積物中含有大量氧氣，另一個地點沒有。硫酸鹽還原通常發生在環境的缺氧部分。氧氣是一種很好的資源，所以如果可能的話，生物更喜歡使用氧氣而不是硫酸鹽。該團隊使用鳥槍法宏基因組學來尋找具有參與硫酸鹽還原的基因的微生物。他們發現了大量的硫酸鹽，就在沉積物中硫酸鹽含量最高的那一層。總之，他們確定了八個硫酸鹽還原分類群。
然後，研究人員開始確定微生物更喜歡哪種有機硫。他們給不同形式的有機硫來分離微生物群落，並觀察結果。作者發現微生物從硫脂中產生大部分硫酸鹽，而不是含硫氨基酸。雖然這個過程需要一些能量，但這比微生物從隨後的硫酸鹽還原成硫化氫中獲得的能量要少得多。
硫脂不僅是這一過程的首選，它們在沉積物中也更豐富。硫脂是由其他微生物群落產生的，它們死亡後會漂到湖底。
隨著“誰”和“如何”的回答，菲利普斯把她的注意力轉向硫化氫的命運。在現代海洋中，硫化氫可以與鐵反應生成黃鐵礦。但它也能與有機分子反應，生成有機硫化合物。“我們發現湖中有大量的有機物硫化，這真的讓我們很驚訝，”她說。“有機硫不僅是硫循環的一個來源，而且也是硫化氫的最終匯。”
這個循環——從有機硫到硫酸鹽再到硫化氫，然後再回來——對研究人員來說是全新的。“研究水生係統的科學家需要開始考慮有機硫是一個核心因素，”菲利普斯說。這些化合物可以在營養缺乏的環境中驅動硫循環，如蘇必利爾湖，甚至是古老的海洋。
這個過程在含高硫酸鹽的係統中也很重要。“有機硫循環，就像我們在蘇必利爾湖看到的那樣，可能在海洋和淡水沉積物中普遍存在。但在海洋中硫酸鹽是如此豐富，以至於它的行為淹沒了我們的大多數信號，”資深作者摩根·雷文說，他是加州大學聖巴巴拉分校的生物地球化學家。"在硫酸鹽含量低的蘇必利爾湖工作讓我們看到了沉積有機硫循環到底有多活躍."
有機硫似乎是微生物群落的能量來源，也能保存有機碳和分子化石。結合起來，這些因素可以幫助科學家理解早期硫循環微生物的進化及其對地球化學的影響。
菲利普斯補充說，一些最早的生化反應可能與硫有關。"我們非常確定硫在早期新陳代謝中扮演了重要的角色."更好地理解硫循環可以讓我們了解早期生命是如何利用這種氧化還原化學的。

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