一、太古宙固氮微生物的礦物利用策略
仰望天空時，或許很少有人會想到，占據大氣體積78%的氮氣竟是地球生命所面臨的一場“悖論盛宴”。氮元素是蛋白質和DNA的基石，在生命體系中不可或缺，然而其在大氣中的主要存在形式——氮氣(N2)卻由于氮氮三鍵的巨大鍵能而表現出極強的化學惰性，對絕大多數生命形式關閉了直接利用的大門。將大氣中的氮氣轉化為生命可同化的氨(NH3)，需要突破化學界最強的化學鍵之一。完成這一關鍵步驟的，并非雷霆萬鈞的閃電或人類工業革命創造的哈伯-博施工藝，而是一群肉眼不可見的微小生命——固氮微生物。它們與地球環境之間的協同演化，構成了跨越數十億年的宏大演化史詩。
回溯至距今約38億至25億年前的太古宙，早期地球的海洋處于還原性狀態，與現代海洋不同，其中溶解態的鉬(Mo)極為匱乏。然而，鉬恰恰是絕大多數高效固氮酶(鉬鐵蛋白)活性中心的核心金屬輔因子。這就構成了一個關鍵的演化謎題：在缺鉬的海洋環境中，早期生命究竟如何開啟氮氣利用的通道?中國地質大學(北京)的一項研究為這一問題的解答提供了重要線索。研究發現，一種名為沼澤紅假單胞菌(Rhodopseudomonas palustris)的不產氧光合細菌，在厭氧環境下具備利用輝鉬礦(MoS2)這類礦物作為唯一鉬源的能力[1]。該微生物的策略極為精妙：一方面，它通過分泌一種被稱為“Rhodopetrobactin”的金屬載體，這種小分子化合物能夠有效螯合并剝離礦物表面的鉬離子;另一方面，電子顯微鏡觀察顯示，微生物細胞會緊密貼附于輝鉬礦表面，從而實現高效的元素攝取。這一發現的意義在于，它揭示了太古宙貧瘠海洋中的早期固氮微生物并非被動地依賴溶解態營養鹽，而是能夠通過主動的礦物-微生物相互作用，從海底熱液噴口周圍廣泛存在的硫化物礦物中獲取稀缺的金屬輔因子。正是這種能力，支撐了早期固氮作用的繁衍，進而擴大了原始生物圈的生產力，為后續產氧光合作用的累積乃至大氧化事件的發生奠定了基礎[1，2]。
二、固氮酶作為“分子時間膠囊”的穩定性
如果說微生物從礦物中獲取金屬元素是生命演化的起點之一，那么固氮酶本身在漫長的地質年代中又經歷了怎樣的演化軌跡?令人驚奇的是，這種核心酶表現出“分子時間膠囊”的特征，忠實地記錄了地球環境的變遷。根據發表于《自然-通訊》的一項突破性研究，科學家借助合成生物學技術，成功“復活”了距今約7億年至23億年前的古代固氮酶基因，并將這段遠古DNA植入現代細菌中，觀察其功能表達[3]。研究結果顯示，盡管這些復活的遠古酶在催化效率上與現代版本存在差異，但在固氮過程中所產生的氮同位素分餾效應(ε15N)卻表現出驚人的穩定性，與現代微生物幾乎沒有差別。這一現象意味著，在地球歷史上，無論是大氧化事件(約24億年前)引發的環境劇變，還是隨后“雪球地球”時期的極端嚴寒氣候，固氮酶作為生命核心引擎的工作方式，即其同位素“指紋”，始終保持著高度保守性。這也解釋了地質記錄中的一個重要現象：在距今約32億至27億年的古老沉積巖中，氮同位素信號始終徘徊于0‰附近，指示著以鉬固氮酶為主導的氮循環模式早已在地球上建立[4]。這些微小的工程師們，憑借其極其保守的化學機制，為地球生命支撐起了一張穩定而持久的營養安全網。
三、有氧環境下硝化與反硝化作用的形成
生命活動的持續演化反過來又深刻地重塑了地球環境。當產氧光合作用(主要由藍細菌完成)大規模出現并積累，大氣中的氧氣含量急劇攀升，地球由此進入有氧時代。這一轉變徹底重塑了全球氮循環的格局。在無氧條件下，氨(NH₃)是穩定的還原態氮素存在形式;然而，氧氣的大量出現為一系列新型微生物代謝途徑的演化創造了條件。化能自養微生物群落開始登上歷史舞臺，其中，氨氧化微生物(如奇古菌Thaumarchaeota)和亞硝酸鹽氧化微生物(如Nitrospira)通過協同作用，將氨逐步轉化為硝酸鹽(NO3⁻)，這一過程被稱為硝化作用[2]。硝化作用產生的硝酸鹽溶解性強、遷移性高，成為真核藻類及后續陸生植物最易于同化的氮源形式。與此同時，在缺氧的水體或沉積物環境中，另一類微生物則利用硝酸鹽作為呼吸作用的電子受體，將其逐步還原為氮氣(N2)并釋放回大氣，這一過程被稱為反硝化作用[5]。至此，現代氮循環的完整閉環——包括固氮、硝化、反硝化作用——正式形成。這一閉環不僅是一系列生物化學反應的簡單循環，更構成了地球系統的一種關鍵全球調控機制。如果沒有反硝化作用將過量活性氮及時返回大氣，海洋和陸地生態系統將因持續的氮富集而走向富營養化崩潰。
四、寒武紀生命大爆發時期的氮循環調控
在距今約5.4億年前的寒武紀生命大爆發前夕，這種氮循環的調控機制表現得尤為突出。研究表明，在中國華南揚子地塊的早寒武世地層中，硅酸鹽結合態氮的同位素出現了異常偏高的記錄，指示當時海洋環境中存在強烈的厭氧氨氧化(Anammox)過程[6]。厭氧氨氧化細菌能夠在缺氧條件下將氨和亞硝酸鹽直接轉化為氮氣，這是一種化能自養代謝途徑。這一過程的存在意味著，在早寒武世廣泛發育的缺氧海水中，微生物群落正在高效地處理氮素，從而調節著海洋中的活性氮儲量。這種微生物代謝活動不僅直接參與調控氮循環的動態平衡，甚至可能通過影響碳同位素的波動(即SHICE事件)，間接地與寒武紀生命大爆發這一重大演化事件產生關聯[6，7]。
五、微生物代謝與地球環境的協同演化機制
回顧數十億年的地球演化歷程，不難得出一個基本結論：地球環境的變遷與微生物的代謝進化，始終是一部無法分割的協奏曲。在太古宙，面對缺鉬海洋的營養限制，固氮微生物通過從巖石中“采礦”的策略，以頑強的化學手段開啟了氮氣資源的大門，支撐了早期生命系統的繁衍生息。進入元古宙，大氧化事件之后，好氧的硝化微生物迅速崛起，硝酸鹽庫的建立為真核藻類等復雜光合生物的繁榮提供了關鍵營養基礎。到了顯生宙，在大規模滅絕、大洋缺氧事件等劇烈氣候擾動中，反硝化和厭氧氨氧化微生物則扮演了“安全閥”的調控角色，通過動態調節海洋活性氮儲量，持續反饋并影響著氣候與生物的演化軌跡。進入人類世，人類通過哈伯-博施工藝實現的工業固氮，其規模已遠超所有自然陸地固氮的總和，從根本上改變了全球氮循環的自然格局。這一改變在支撐糧食產量大幅增長的同時，也引發了水體富營養化、溫室氣體N₂O排放加劇等嚴峻環境挑戰。重新審視這段由微生物書寫的地球演化史，不僅是為了滿足對遙遠過去的求知欲，更是為了在面對人類活動深刻改變地球系統的當下與未來，尋找到與這顆星球重新建立和諧共存關系的智慧與路徑。直至今日，支撐整個地球生物圈可持續運轉的，依然是那些微小工程師們數十億年來一以貫之的古老代謝法則。
本文作者：廈門大學黃宇彬。本文由廈門大學海洋與地球學院焦念志院士、碳中和創新研究中心胡晨副研究員指導，由海洋負排放(ONCE)國際大科學計劃、廈門大學碳中和創新研究中心支持。
參考文獻
[1] Hou, L. F., Hao, J. L., et al. (2024). Molybdenite as a bioavailable molybdenum source for biological nitrogen fixation. Nature Communications, 15(1), 2345.
[2] Canfield, D. E., Glazer, A. N., & Falkowski, P. G. (2010). The evolution and future of Earth’s nitrogen cycle. Science, 330(6001), 192-196.
[3] Garcia, A. K., et al. (2020). Reconstructing the evolutionary history and ancestral states of nitrogenase. Nature Communications, 11(1), 1180.
[4] Stüeken, E. E., et al. (2015). Isotopic evidence for biological nitrogen fixation by molybdenum-nitrogenase from 3.2 Gyr. Nature, 520(7549), 666-669.
[5] Falkowski, P. G. (1997). Evolution of the nitrogen cycle and its influence on the biological sequestration of CO2in the ocean. Nature, 387(6630), 272-275.
[6] Wang, J. W., et al. (2020). Nitrogen isotope evidence for a perturbed nitrogen cycle during the SPICE event. Communications Earth & Environment.
[7] Zerkle, A. L., & Mikhail, S. (2017). The biological nitrogen cycle through geological time. Geobiology, 15(3), 343-360.
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