生命之火:闪电创造对早期生物至关重要的矿物质

科学家们发现地球上曾经普遍存在且对微生物至关重要的一种磷的天然来源

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闪电的高能量产生了一种不寻常形式的磷,这种磷曾经在原始地球上很常见,并且至今仍被许多微生物使用。

构成DNA分子的骨架,作为细胞膜的组成部分包裹着每个活细胞,并且是骨骼和牙齿的关键成分。作家艾萨克·阿西莫夫曾称磷为“生命的瓶颈”,因为它占生物体的1%,但在地球矿物质中仅占0.1%。

今天,大部分磷通过花岗岩和其他岩石随时间的风化作用进入世界生态系统,释放出正磷酸盐分子:一个磷原子与一个氢原子和四个氧原子相连。但在早期大气层中氧气稀少的情况下,古代微生物进化出一种非常不同的化学途径,将正磷酸盐分解为亚磷酸盐,亚磷酸盐是一种还原形式的磷,只有三个氧原子。由于如今自然界中亚磷酸盐很少存在,科学家们长期以来一直想知道为什么许多微生物仍然制造消化它所需的酶。

亚利桑那大学图森分校的地质学家马修·帕塞克曾研究过早期生命利用铁陨石中的磷的可能性,他知道云地闪电是少数几种可以产生足够能量来产生亚磷酸盐的自然现象之一。当闪电击中土壤时,它会烧出一个熔融的空心管,称为雷击石,帕塞克说它看起来像“一个周围溅满玻璃的迷你火山”。

这些雷击石的重量从几克到几十公斤不等,不易找到,陨石经销商经常付钱给撒哈拉沙漠的游牧民族,让他们在旅行期间收集雷击石。帕塞克以每个几百美元的价格从世界各地通过eBay、图森宝石展和其他渠道购买了雷击石。

然后,他将岩石粉碎以分析它们包含哪种类型的磷分子:在有机土壤中发现的雷击石中,约22%的磷以亚磷酸盐的形式存在,而从缺乏有机物质的土壤中提取的其他雷击石中,有37%至68%的磷以另一种与铁相关的贫氧形式存在。这项研究结果本周发表在《自然·地球科学》杂志上。(《大众科学》是自然出版集团的一部分。)

"当闪电击中时,它就像一个迷你冶炼炉,有机分子从磷中剥离氧," 帕塞克说。

但是闪电对全球磷循环有多重要呢?  闪电每秒击中地球 44 次,这意味着它每年可能仅产生 2,000 到 3,000 公斤的亚磷酸盐。 如今,人类通过钢铁腐蚀和旧汽车生锈引入的亚磷酸盐量是这个数字的数千倍。

因此,北爱尔兰贝尔法斯特女王大学的微生物学家约翰·奎因表示,帕塞克的发现“与其说是重要,不如说是更有趣”。即便如此,他对这项研究印象深刻,并希望它能激励地质学家在环境中寻找更重要的亚磷酸盐来源。

到目前为止,帕塞克是唯一的行动者。 他说:“已经有很多生物学家说必须存在还原磷的地质来源,而地质学家则说磷有点无聊。” 如果雷击石不是还原磷的唯一来源,那么它们至少是最引人注目的来源。

Brendan Borrell is a freelance journalist based in Brooklyn, New York. He writes for Bloomberg Businessweek, Nature, Outside, 大众科学, and many other publications, and is the co-author (with ecologist Manuel Molles) of the textbook Environment: Science, Issues, Solutions. He traveled to Brazil with the support of the Mongabay Special Reporting Initiative. Follow him on Twitter @bborrell.

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