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为探究复杂生物何时进化出应对砷毒性策略，研究人员对 21 亿年法国维尔组宏观化石开展研究。发现这些早期生命在低砷海水中通过体内特化区室隔离砷解毒，死后砷释放入黄铁矿核，揭示早期复杂生命的生存机制。
在地球生命的漫长演化历程中，砷（As）作为一种有毒类金属，长期以来都是生命面临的严峻挑战。其不同化学形态，如低氧环境中占主导的亚砷酸盐（As3?）和富氧条件下常见的砷酸盐（As??），不仅影响着自身的毒性、环境行为和归宿，也对生物体的生存构成威胁。尽管已知远古微生物如蓝藻等可通过代谢砷获取能量，原核生物在太古宙就已演化出砷解毒机制，但复杂真核生物何时以及如何发展出应对砷毒性的策略，尤其是在不同环境砷浓度、氧化还原条件下的适应机制，长期以来仍不明确。例如，真核生物是否通过体内储存砷等方式解毒，其与环境中砷循环的相互作用如何，这些问题一直困扰着科学界。而揭示这些机制，对于理解生命在极端环境中的演化历程至关重要。
为解决上述问题，法国普瓦捷大学（Université de Poitiers）等机构的研究人员，对来自加蓬的 21 亿年（Ga）法国维尔组（Francevillian）宏观化石展开了深入研究。这些化石被认为是地球最早的复杂生命形式之一，研究团队旨在通过分析其生物成因性及砷毒性管理机制，填补早期真核生物砷解毒策略演化的研究空白。研究成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员主要运用了高分辨率的先进微分析技术，包括同步辐射纳米 X 射线荧光（nano-XRF）、纳米 X 射线吸收近边结构光谱（nano-XANES）以及激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）等。同时，对化石所在的沉积层进行了全岩地球化学分析，涉及主要元素和微量元素的测定，以了解沉积环境中的砷分布及来源。
沉积环境与砷分布特征
通过对法国维尔组地层的地球化学分析发现，不同沉积单元的砷含量呈现出明显差异。在富含化石的 FB2b 单元，砷含量相对较低，且砷的来源主要为大陆风化作用，而非热液活动。这与相邻单元 FB1c 和 FC Formation 中因热液输入导致的高砷含量形成鲜明对比。此外，FB2b 单元的氧化还原条件显示为富氧环境，推测此时海水中的砷主要以 As??形式存在。
黄铁矿化化石中的砷富集模式
研究发现，法国维尔组的宏观化石可分为非黄铁矿化和黄铁矿化两种类型，后者包括叶状体、细长体和管状结构。与非生物成因的黄铁矿结核相比，化石中的黄铁矿晶体具有独特的砷分布特征：砷主要富集于黄铁矿晶体的核心，且随着与核心距离的增加，砷浓度逐渐降低。这种分布模式与后生动物化石中的砷富集模式相似，而与非生物成因结核中砷的弥散分布或热点分布明显不同。激光烧蚀电感耦合等离子体质谱分析表明，化石中的砷含量显著高于非生物结核，且砷与镍、铜等元素的分布具有相关性。
砷的来源与生物矿化机制
通过 X 射线吸收近边结构分析，发现化石中砷的氧化态为 As3?，与硫化物（如 As?S?）相关，而非热液成因的毒砂（FeAsS）中的 As?1/?态。结合沉积环境和生物矿化过程，研究团队提出，这些早期复杂生命在生存过程中通过生物累积作用将砷储存在体内的特化区室中，以避免砷对细胞的毒性损伤。当生物体死亡后，储存的砷被释放到沉积物中，在早期成岩阶段，通过硫酸盐还原微生物的活动，砷作为黄铁矿成核的催化剂，参与了黄铁矿的形成过程，从而在黄铁矿晶体核心形成砷富集。
砷解毒机制的进化意义
研究表明，法国维尔组的宏观化石所处的低砷富氧海洋环境中，砷酸盐可能通过磷酸盐转运蛋白被动进入细胞。由于砷酸盐与磷酸盐的化学相似性，这些生物体可能缺乏高效的磷酸盐 - 砷酸盐区分机制，转而依赖细胞内的区室化作用来隔离砷。这一机制与现代海绵等早期多细胞真核生物通过胞内囊泡储存砷的策略相似，表明生物累积和区室化可能是早期真核生物应对低水平砷暴露的重要适应策略。此外，化石中砷与镍、铜等微量元素的共富集，暗示这些生物体可能同时具备多种金属的解毒机制。
这项研究首次在 21 亿年前的复杂生命形式中发现了主动应对砷毒性的证据，揭示了早期真核生物通过生物累积和区室化储存砷的解毒策略。这一发现不仅为理解真核生物的早期演化及其对环境压力的适应机制提供了关键证据，也为在古老沉积岩中识别生物成因结构提供了新的地球化学标志。同时，研究结果表明，即使在低浓度砷环境中，生命也可能面临显著的砷胁迫，进而推动了关键生存机制的演化，这对于理解地球生命在极端环境中的韧性和适应性具有重要意义。
