大氧化事件期间海洋表层生物可利用亚磷酸盐的发现及其对早期生命演化的启示

研究人员通过实验室模拟和太古宙-元古宙界线带状铁建造(BIF)分析，揭示了2.5Ga大氧化事件(GOE)前夕海洋表层存在0.17μM亚磷酸盐(HPO32-)，占溶解无机磷(DIP)的5-88%。该研究首次证实水合铁氧化物(HFO)对磷酸盐(P(V))的选择性吸附导致P(III)成为关键磷源，为理解微生物磷代谢基因(ptxD/ptxB)的演化及GOE期间初级生产力维持机制提供了新视角。

　　

在地球生命演化史上，磷的可得性始终是制约生物进化的关键因素。作为构成核酸、磷脂和能量载体ATP的核心元素，磷在太古宙海洋中主要以溶解性极低的磷灰石形式存在。然而近年研究发现，还原态磷物种如亚磷酸盐(P(III))和膦酸盐在低氧环境中可能更具生物可利用性。这一发现引发了一个关键科学问题：在大氧化事件(Great Oxidation Event, GOE)这一地球环境剧变期，磷的化学形态如何影响早期生命的适应策略？

由Abu Saeed Baidya领衔的国际研究团队在《Nature Communications》发表的研究，通过创新性地结合实验室模拟与地质记录分析，首次量化了GOE前夕海洋表层的生物可利用亚磷酸盐浓度。研究揭示出水合铁氧化物(HFO)对磷酸盐(P(V))的选择性吸附机制，以及由此产生的生态位空缺如何驱动微生物代谢网络的演化。

研究团队采用多学科交叉方法：通过模拟太古宙海水条件的吸附实验测定P(III)/P(V)分配系数(K_ads)；分析2.6-2.46Ga带状铁建造(BIF)样本的磷形态（离子色谱-电感耦合等离子体质谱联用技术）；结合基因组学数据追溯磷代谢基因(ptxD/ptxB)的演化时间。样本来自西澳大利亚皮尔巴拉克拉通和南非德兰士瓦超群的五个岩层，包括Marra Mamba和Kuruman等典型BIF单元。

实验结果部分显示：

1. 吸附实验：在pH 6.75-8范围内，P(V)在HFO上的吸附系数(K_ads=0.021-0.039μM^-1)比P(III)(0.0003-0.0011μM^-1)高26-36倍，证实HFO对P(V)的选择性清除。X射线衍射和红外光谱证实实验产物为无定形硅与HFO的混合物，模拟了BIF原始沉积环境。

2. BIF分析：所有样本均检出P(III)，其中Kuruman组含量最高(达总磷的38%)。通过建立五种地质情景模型（考虑变质作用对P(III)生成的贡献），估算出GOE前夕浅海P(III)浓度上限为0.17μM，占溶解无机磷比例的5-88%。

3. 基因组证据：系统发育分析表明，编码亚磷酸脱氢酶的ptxD基因在2.3-2.2Ga首次出现，其祖先功能更可能参与同化型亚磷酸氧化(APO)而非异化型代谢(DPO)，这与估算的低浓度P(III)环境相符。

讨论部分指出三重创新性发现：

• 地球化学机制：BIF大规模沉积(2.65-2.40Ga)通过HFO吸附大量清除P(V)，而P(III)因低吸附性得以保留，形成特殊的磷物种分布格局。
• 生物响应：初级生产力提升与P(V)短缺共同促使微生物转向P(III)利用，ptxB基因(2.6-2.3Ga)的出现早于ptxD，表明早期生命先发展出P(III)转运能力再进化出代谢途径。
• 环境互作：该研究首次将铁循环（HFO沉积）、磷循环（P(III)/P(V)转化）与生物进化（代谢基因辐射）耦联，阐明GOE不仅是氧气积累的结果，更是生命应对元素可得性变化的适应性突破。

这项研究改写了对早期海洋磷循环的认知，证明亚磷酸盐作为"磷库缓冲剂"在生物圈扩张关键期的重要作用。其揭示的选择性吸附机制为理解其他地质转折期的元素循环提供了新范式，而建立的实验-地质-基因组学交叉验证方法为追溯生命与环境共演化历史树立了标杆。