西澳大利亚微生物岩研究五十年：从太古宙早期生物遗迹到现代微生物岩系统的跨时代综述

《Alcheringa: An Australasian Journal of Palaeontology》：From Alcheringa to beyond: 50 years of microbialite research in Western Australia

摘要专业翻译 作为地球上最早被识别的结构生物遗迹（textural biosignatures），微生物岩（microbialites）是理解生命起源、演化与持续存在的核心。西澳大利亚的微生物岩记录在范围与连续性上无出其右，跨越至少34.8亿年——从皮尔巴拉克拉通（Pilbara Craton）的古太古宙（Paleoarchean）叠层石层序，到包括联合国教科文组织世界遗产名录中的鲨鱼湾（Shark Bay）微生物岩在内的现代系统。整体来看，该州已记录的1000余处产地，以及自1912年至今数千篇文献的记载，从根本上改变了学界对地质历史时期微生物岩的科学认知。 西澳大利亚早期的微生物岩研究以描述性为主，化石叠层石被用于前寒武纪沉积盆地内的区域对比，现代微生物岩则被作为古代系统的类比对象进行研究。然而，随着二十世纪后期皮尔巴拉地区的发现将生命记录逐步向太古宙更深处延伸，化石微生物岩的研究转向更宏观的问题，包括生命与宜居地表环境的协同演化、生物遗迹的识别，以及其在搜寻地外生命中的应用。与此同时，对现代微生物岩系统的研究日益融合微生物学、地球化学与分子生物学方法，使这些地点从简单的类比对象转变为理解微生物岩增生、生态及其对环境变化脆弱性的过程型实验室。对显生宙（Phanerozoic）微生物岩的并行研究，也凸显了微生物群落在环境胁迫与生物危机（尤其是大灭绝事件之后）期间所展现的生态韧性与适应意义。 西澳大利亚不断扩充的化石与现代微生物岩数据集，以及用于研究这些地点的分析技术的相应进步，凸显了微生物岩研究中尚存的关键挑战。这些挑战包括：建立证明生物成因性的可靠标准；深化对微生物岩形态受生物、环境及埋藏学（taphonomic）因素控制的理解；以及厘清微生物岩在空间与时间上的分布范围。对微生物岩产地的科学价值与遗产价值日益增长的认识，也凸显了许多古代与现代地点易受人为干扰与环境退化的影响，以及建立强有力的长期保护机制的重要性。 值此《Alcheringa》创刊50周年之际——该期刊以沃尔特（Walter）于1972年命名的、产自图姆比亚纳组（Tumbiana Formation）的27.3亿年叠层石 Alcheringa narrina 命名——研究人员回顾了西澳大利亚微生物岩研究的历史，总结了从太古宙到现代环境中跨越各时代的主要发现与概念进展，评估了诠释这些结构生物遗迹的不断演进的方法，并探讨了当前微生物岩研究与保护所面临的挑战与未来方向。

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一、研究背景与研究意义

微生物岩（microbialites）是由底栖微生物群落通过捕获和粘结碎屑沉积物，或作为矿物沉淀的场所而形成的有机沉积体，是地球上最早被识别的结构生物遗迹。作为理解生命起源、演化与持续存在的核心对象，微生物岩的研究具有深远的科学意义。西澳大利亚拥有全球范围内最为广泛且连续的微生物岩记录，跨越至少34.8亿年，从皮尔巴拉克拉通（Pilbara Craton）古太古宙（Paleoarchean）叠层石层序，延伸至列入联合国教科文组织世界遗产名录的鲨鱼湾（Shark Bay）现代微生物岩系统。该州已记录的1000余处产地，以及自1912年以来数千篇文献的记载，从根本上改变了学界对地质历史时期微生物岩的认知。

然而，此前对西澳大利亚微生物岩记录的综合回顾还停留在1979年，且主要聚焦于鲨鱼湾与坎宁盆地（Canning Basin）泥盆纪微生物岩，未能涵盖此后大量关于皮尔巴拉古太古宙早期生命遗址的研究。随着分析技术的进步和科学问题的拓展，微生物岩研究已从以描述性和地层对比为主的工作，转变为一个融合地球科学、行星科学、微生物学与地球化学的跨学科领域。在此背景下，这篇综述旨在系统总结西澳大利亚微生物岩研究五十年来的发展历程，梳理主要发现与概念进展，评估不断演进的研究方法，并探讨当前面临的挑战与未来方向。

二、研究内容与主要结论

研究人员从两条主线展开论述：一是按地质时代划分的产地研究史，涵盖太古宙、元古宙、显生宙与现代微生物岩记录；二是对微生物岩研究中的跨时代主题进行综合探讨，包括生物成因性（biogenicity）判据、形态控制因素、时空分布范围以及遗产保护等议题。

在太古宙微生物岩方面，研究人员重点论述了皮尔巴拉地区三个关键地层单元：34.8亿年的Dresser组、34.3亿年的Strelley Pool组以及27.3亿年的Tumbiana组。Dresser组微生物岩的发现将生命化石记录从27.3亿年向前延伸了近8亿年，该组保存了多种形态的微生物岩，包括穹状、锥状叠层石以及微生物诱发的沉积构造（MISS），并可能记录了包括浅海、蒸发盐沼和陆上热泉在内的多种沉积环境。Strelley Pool组则展示了古太古宙微生物群落形态多样性的广度，保存了穹状、锥状、指状乃至分枝状叠层石，被解释为已知最古老的叠层石礁系统。Tumbiana组长期被视为世界最重要的新太古代湖泊相微生物岩层序之一。此外，研究人员还提及了中太古代Dixon Island组和Cattle Well组中记录较少的微生物岩产地，以及Yilgarn克拉通东部金矿田超地体中两处记录有限的产地。

在元古宙微生物岩方面，研究人员指出西澳大利亚元古宙盆地覆盖了该州大片区域，叠层石生物地层学（biostratigraphy）在区域地层对比中发挥了重要作用。二十世纪七十至九十年代，以Glaessner及其学生Preiss和Walter为代表的系统分类学研究达到顶峰，为前寒武纪无化石层序的对比提供了有力工具。在显生宙方面，坎宁盆地泥盆纪礁复合体中的微生物岩研究补充了对现代类比的研究，展示了更广泛的沉积环境能够容纳微生物岩，拓展了其解释价值。现代微生物岩研究方面，鲨鱼湾和Lake Clifton等地点从简单的古代类比对象转变为过程型实验室，研究重点转向微生物群落组成、对环境胁迫的韧性与适应性等议题。

三、主要技术方法

研究人员在综述中提及了多种推动微生物岩研究发展的关键技术方法：一是科学钻探计划，包括太古宙生物圈钻探项目（ABDP）、深时钻探项目（DTDP）和皮尔巴拉钻探项目（PDP），共获取13个钻石岩心，深度100至1000米不等，有效避免了地表风化对原始生物遗迹的破坏；二是高分辨率岩石学、地球化学与同位素分析，用于识别此前未被发现的微生物结构与地球化学特征；三是野外露头详细填图与地层剖面测量，用于确定叠层石形态的时空变化与沉积环境；四是微生物学、分子生物学与地球化学相结合的方法，用于研究现代微生物岩系统的群落组成与生态过程。样本来源包括GSWA珀斯岩心库保存的钻探岩心，以及Buick、Trendall和Lowe等国家地质遗产保护区内的露头材料。

四、研究结果分述

太古宙微生物岩： 研究人员详细论述了Dresser组和Strelley Pool组的微生物岩研究。Dresser组微生物岩展示了多种形态，包括皱纹状纹层、穹状和锥状叠层石，以及一套多样的MISS构造。通过详细露头填图，识别出五个与萨布哈（sabkha）相关的亚环境，证明约35亿年前已存在复杂的成席微生物群落。钻探岩心材料揭示了地表露头未保存的细节，包括以黄铁矿形式保存的叠层石。Strelley Pool组的研究则表明，到34.3亿年前，微生物群落已能构建包括锥状、指状、穹状和分枝状在内的多种复杂形态的叠层石，且这些形态出现在一个沉积与地层框架极为清晰的礁系统中，使其成为早期生物成因叠层石最有力的案例研究之一。

元古宙微生物岩： 研究人员指出，叠层石分类学与生物地层学在元古宙盆地的区域对比中发挥了关键作用。系统分类工作在《Alcheringa》创刊前后达到顶峰，并持续了至少十年。微生物岩在区域对比中的应用至今仍是GSWA地层研究的重要组成部分。

显生宙微生物岩： 坎宁盆地泥盆纪礁复合体的研究展示了微生物岩在更广泛沉积环境中的分布，补充了对现代类比的研究。此外，二叠纪—三叠纪界线附近的Kockatea页岩等层序中的微生物岩研究，为理解微生物生态系统在环境胁迫和生物危机中的响应提供了洞见。

现代微生物岩： 鲨鱼湾和Lake Clifton等现代系统的研究已从简单的类比对象转变为过程型实验室。研究重点转向微生物群落组成、对环境胁迫（如盐度变化、富营养化、极端天气事件和气候强迫）的韧性与适应性。至少还有10个其他沿海湖泊地点和内陆淡水水生环境被纳入研究范围。

五、讨论与结论

在讨论部分，研究人员指出微生物岩研究面临的关键挑战包括：需要建立证明生物成因性的可靠标准；改进对微生物岩形态受生物、环境和埋藏学因素控制的理解；以及厘清微生物岩的时空分布范围。对微生物岩产地的科学和遗产价值日益增长的认识，也凸显了许多古代和现代地点易受人为干扰与环境退化的影响，以及建立长期保护机制的重要性。

研究人员还特别强调了微生物岩对原住民的文化意义。在许多原住民文化中，微生物岩被视为神圣且具有深层精神意义的对象，常与创世故事相关联。例如，在Yued人的歌线（songlines）中，Lake Thetis与彩虹蛇Waakgardy相关联；在Lake Clifton，彩虹蛇Woggaal Maadjit在创世故事中留下了微生物岩作为其卵。研究人员承认原住民对微生物岩的知识远早于科学文献中的许多"发现"，并指出在研究与教育中正在取得进展，包括在命名新特征和分类群时咨询当地原住民群体，以及在公共展示中并列呈现原住民知识与西方科学信息。

研究结论指出，西澳大利亚的微生物岩记录代表了地球上最长的生命档案，从34.8亿年前延伸至今。从二十世纪早期的现代微生物岩观察，到世纪中叶的生物地层学研究，再到二十一世纪的地球生物学、天体生物学和基因组学研究，这些里程碑共同描绘了西澳大利亚微生物岩研究的发展轨迹，展示了该领域如何不断适应新技术、新概念框架和不断演变的科学观点。西澳大利亚微生物岩研究不仅深化了对地球早期生命的理解，还为搜寻地外生命提供了重要的类比框架。