硫和地球上的生命

第五种元素,元素"五" ，"硫" (S) 是何时进入地球上的生物的呢?

让我们回到38 到25 亿年前这个行星吧。那时地球的大气里没有氧气，大气不是蓝色, 而是红褐色， 它充满著对生命有毒的硫化氢、甲烷、氨, 和许多其它气体。 大气怎样从一种对生命有害的气体演化到我们现在拥有的一种对生命无害的大气的呢？谁是这样演化的驱动力? 驱动力在哪里？ 它采取了什么样的行动?

问题的答案在海底的沉积里。海底的沉积显示, 大气的氧化作用状态上在早期Proterozoic 期间(23 亿年前)发生过变化。氧气的储积时间大约在35 到20亿年以前，而硫(S) 以某种方法进入地球的生态系发生在亿万年前。

海洋可能是能够给我们提供答案的线索之一。我们可以设想, 最早的时候，地球上普遍存在硫酸根离子，它是海洋的一个组分。然后, 通过一个未知的机制，它进入了一种叫作含硫氨基酸: 甲硫氨酸(M) 和胱氨酸(C)有机物分子,首先出现在海洋里。

同时, 一些地球外的有机大分子, 包括氨基酸, 随着陨石雨被运载到海洋。以后,海洋里又形成了一些大分子, 这些大分子，不仅能自已再生产, 而且, 在某些情况下, 在生产中出错。这些错误导致了新的大分子的出现。这样, 在海洋里，创始的演变的过程导致原始生命的诞生。

一些科学家认为, 细菌出现也许是宇宙中大分子在海洋中的组合演进的结果。在相对地安全的海洋中，原始生命逐渐地改变了有害的大气。原始生命在减少的大气的海洋中繁殖。地球上居住着亿万微生物有机体。当中一个, 叫cyanobacteria, 能通过阳光的光合作用产生自由氧。大气中自由氧促进了岩石氧化，风化在土地, 产生可溶解硫酸，储积入海洋， 这个过程导致氧气在地球大气的累积。

氧气形成故事也有其它版本。在lithotrophic 生物圈,Archaea依靠氢作为主要能源, 氧化分子氢, 以二氧化碳作为主要电子接受体。Crenarchaeota 氧化分子氢, 与硫化合物作为终端电子接受体。这些有机体是耐热的细菌 "thermoacidophilic" 或"hyperthermophilic" Archaea 。 它们们能在高温 (通常水的沸点之上)，氢气，二氧化碳，硫化氢存在的情况下增殖。这些生物类似真核生物或大肠杆菌。它们负责氧气储积入大气。 海底沉淀物中的硫化物由"硫还原”SR 细菌生物活动所产生形成。令人惊讶地, "硫还原”SR 细菌能消耗硫化氢和放出氧气。

"硫还原”SR 细菌包括Archaea 微生物、hyperthermophiles 、thermophiles 、halophiles 和methanogens ，它们都生存在海洋的极端状态下。SR 细菌能帮助我们解释在海洋增加的氧气成分。

如果上述故事是真实的, 地球的大气开始逐渐积累自由氧，使海洋变得富有硫化物，SR细菌变活跃。 我们现在知道所有使硫化物还原的细菌存在使硫化物还原的一种。令人惊讶的是，这种细菌的基因 (SR) 编码的蛋白质中含硫的氨基酸很丰富! 其独特的氨基酸序列为: NCRHCERAPCLEVCPTGLAYRD,负责电子运输(4Fe-4S)。

富含硫的氨基酸发生在此类基因是一种偶然抑或基因组学上SR细菌和大气中氧气之间的因果关系? 在被保留的其它生物种类的化石的中也能见到相似的SR基因。从北西伯利亚Kotuikan 河口收集的生物化石记录显示SR 基因的生物相似性至少已存在了5.45 亿万年。