硫和地球上的生命

第五種元素,元素"五" ，"硫" (S) 是何時進入地球上的生物的呢?

讓我們回到38 到25 億年前這個行星吧。那時地球的大氣裏沒有氧氣，大氣不是藍色, 而是紅褐色， 它充滿著對生命有毒的硫化氫、甲烷、氨, 和許多其它氣體。 大氣怎樣從一種對生命有害的氣體演化到我們現在擁有的一種對生命無害的大氣的呢？誰是這樣演化的驅動力? 驅動力在哪裏？ 它采取了什麽樣的行動?

問題的答案在海底的沉積裏。海底的沉積顯示, 大氣的氧化作用狀態上在早期Proterozoic 期間(23 億年前)發生過變化。氧氣的儲積時間大約在35 到20億年以前，而硫(S) 以某種方法進入地球的生態係發生在億萬年前。

海洋可能是能夠給我們提供答案的線索之一。我們可以設想, 最早的時候，地球上普遍存在硫酸根離子，它是海洋的一個組分。然後, 通過一個未知的機製，它進入了一種叫作含硫氨基酸: 甲硫氨酸(M) 和胱氨酸(C)有機物分子,首先出現在海洋裏。

同時, 一些地球外的有機大分子, 包括氨基酸, 隨著隕石雨被運載到海洋。以後,海洋裏又形成了一些大分子, 這些大分子，不僅能自已再生產, 而且, 在某些情況下, 在生產中出錯。這些錯誤導致了新的大分子的出現。這樣, 在海洋裏，創始的演變的過程導致原始生命的誕生。

一些科學家認為, 細菌出現也許是宇宙中大分子在海洋中的組合演進的結果。在相對地安全的海洋中，原始生命逐漸地改變了有害的大氣。原始生命在減少的大氣的海洋中繁殖。地球上居住著億萬微生物有機體。當中一個, 叫cyanobacteria, 能通過陽光的光合作用產生自由氧。大氣中自由氧促進了岩石氧化，風化在土地, 產生可溶解硫酸，儲積入海洋， 這個過程導致氧氣在地球大氣的累積。

氧氣形成故事也有其它版本。在lithotrophic 生物圈,Archaea依靠氫作為主要能源, 氧化分子氫, 以二氧化碳作為主要電子接受體。Crenarchaeota 氧化分子氫, 與硫化合物作為終端電子接受體。這些有機體是耐熱的細菌 "thermoacidophilic" 或"hyperthermophilic" Archaea 。 它們們能在高溫 (通常水的沸點之上)，氫氣，二氧化碳，硫化氫存在的情況下增殖。這些生物類似真核生物或大腸杆菌。它們負責氧氣儲積入大氣。 海底沉澱物中的硫化物由"硫還原”SR 細菌生物活動所產生形成。令人驚訝地, "硫還原”SR 細菌能消耗硫化氫和放出氧氣。

"硫還原”SR 細菌包括Archaea 微生物、hyperthermophiles 、thermophiles 、halophiles 和methanogens ，它們都生存在海洋的極端狀態下。SR 細菌能幫助我們解釋在海洋增加的氧氣成分。

如果上述故事是真實的, 地球的大氣開始逐漸積累自由氧，使海洋變得富有硫化物，SR細菌變活躍。 我們現在知道所有使硫化物還原的細菌存在使硫化物還原的一種。令人驚訝的是，這種細菌的基因 (SR) 編碼的蛋白質中含硫的氨基酸很豐富! 其獨特的氨基酸序列為: NCRHCERAPCLEVCPTGLAYRD,負責電子運輸(4Fe-4S)。

富含硫的氨基酸發生在此類基因是一種偶然抑或基因組學上SR細菌和大氣中氧氣之間的因果關係? 在被保留的其它生物種類的化石的中也能見到相似的SR基因。從北西伯利亞Kotuikan 河口收集的生物化石記錄顯示SR 基因的生物相似性至少已存在了5.45 億萬年。