将化石气候指标与活细菌联系起来有助于气候预测

微生物的皮肤会对环境做出反应，就像我们的皮肤在热的时候会出汗，或者在外面很冷的时候会发抖一样。微生物表皮化石可以让我们一窥过去地质年代的气候。通过发现此类化石皮肤与活细菌皮肤之间的“缺失环节”，荷兰皇家海洋研究所 (NIOZ) 的微生物学家 Diana Sahonero 大大提高了气候重建和预测的准确性。

微生物的皮肤是由脂质——脂肪分子——制成的，它们可以作为化石保存下来，告诉我们这些微生物过去是如何生活的。“一些微生物脂质被广泛用于重建过去的气候。它们一直被神秘所包围，因为我们不知道是哪种微生物在什么条件下制造它们。这种信息的缺乏限制了这些分子重建过去环境的预测能力条件，”Sahonero 说。

现在，她的研究表明了哪些细菌会产生这些脂质，以及它们如何进化出脂质表皮以适应环境变化——这是朝着更详细地重建和预测气候变化迈出的又一步。

气候重建

脂质是细胞膜的分子组成部分，对于每种微生物物种都是独一无二的。“它就像指纹一样工作，它们可以用来识别微生物遗骸，”乌得勒支大学地球科学学院副教授、NIOZ 高级科学家 Laura Villanueva 说。

古代微生物的脂质可以在古老的沉积物中找到。一旦这些来自过去的分子被分离、识别并与当前存活的细菌群相关联，脂质就可以像“生物标记”一样发挥作用。这些标记可以告诉我们古代地球的大气和海洋状况，因为我们从微生物的现存亲属那里知道它们如何与环境相互作用。

在无氧血清瓶中设置生长实验，以获取用于组学分析(脂质组学、转录组学和蛋白质组学)的样品。照片：Diana Sahonero，NIOZ。图片来源：NIOZ 的 Diana Sahonero

谁制造了这些分子，又是如何制造的?

长期以来，尚不清楚究竟是哪些细菌在制造这些特定的脂质，称为支链甘油二烷基甘油四醚 (GDGT)。这种类型的脂质通常用于气候重建。戴安娜和她的同事们终于发现了形成这些脂质的细菌。还有这些细菌实际上是如何制造脂质的。

“这就像大海捞针”，Sahoreno 说。“从一开始，我们就知道我们必须用一种大规模的方法来回答这个问题。我们需要研究超过 1850 种蛋白质来识别制造这些脂质分子的微生物。”

一旦研究人员知道目前哪些活细菌产生这些脂质分子，它们就可以用来进行更准确的气候重建。研究人员可以测量这些活细菌与周围海水或大气的相互作用。该信息导致“代理”——将脂质分子的细节(例如丰度)与环境值相关联的关键。这是基于旧沉积物样本重建过去环境和气候条件的重要一步。

生命的早期进化

“我们的研究表明，目前有许多种类的活细菌可以制造这些类型的膜脂。此外，我们发现这些细菌都仅限于缺氧的环境，”Sahonero 说。

“这项对细菌类古细菌脂质的研究表明，这群产生它们的微生物如何在数十亿年前进化出它们的脂质膜。能够一窥生命史的这一部分真是太棒了。直到现在，这基本上还是个谜。 “

接下来是什么?

Sahonero 和她的同事们的工作仍在进行中。“现在我们知道哪些细菌形成了这些分子结构单元，并且我们了解它们是如何做到的。接下来，我们需要找出这些分子的产生如何取决于水温或 pH 值等环境因素，”Villanueva 说。“然后，(古)气候学家可以更自信地使用基于这些细菌脂质的代理。这为他们提供了更详细地重建和预测气候变化的新可能性。”

该研究发表在《科学进展》杂志上。