研究背景与科学问题
获得光合作用的能力是真核生物演化的关键一步。然而，在前寒武纪的记录中，几乎没有明确识别出光营养生物。对单个微化石中的代谢副产物进行原位微区分析是直接鉴定其代谢的关键，但迄今为止仍难以实现。在这些分子中，叶绿素和庚烷等四吡咯类化合物是细胞代谢的基本成分。这些分子通常会在埋藏和成岩的早期阶段降解，但在有利条件下也可能转化为地卟啉。地卟啉常见于新生代沉积岩的大量溶剂萃取物中，但在前寒武纪却极为罕见。目前的全岩分析方法无法将检测到的卟啉与单体化石直接联系起来，而且这种分析方法也无法应用在过成熟的岩石样品，因为即使是200°C左右相对温和的热蚀，也会影响游离生物标记物的保存。因此，如何在前寒武纪化石样品中检测到卟啉成为关键。
科学内涵
为了识别前寒武纪微体化石中残留的代谢产物，比利时列日大学Sforna等科学家对刚果盆地姆布吉-马伊超群中神秘的Arctacellularia tetragonala化石标本进行了原位微区分析，综合利用形态学、化学和超微结构分析与同步加速器X射线荧光（SR-XRF）和X射线吸收光谱（SR-XAS）等多种分析方法，发现了A. tetragonala细胞中与镍结合的四吡咯，确定四吡咯分子为叶绿素衍生物，说明A. tetragonala为最早的多细胞藻类之一。这一新方法适用于亿万年前的过成熟岩石，为前寒武纪真核生物光营养体的演化和早期生态系统中初级生产者的多样化提供了新的约束条件。
A. tetragonala普遍出现在西伯利亚、加拿大、非洲、中国和印度的中元古代到新元古代地层中，是一种很容易辨认的微化石，由桶形细胞的无鞘链（丝状）组成，细胞之间有明显的界线，细胞末端有披针形褶皱（图1）内部还存在细胞内包裹体（intracellular inclusions，ICI）（图1b, d, h, i）。此前，A. tetragonala曾被初步解释为蓝细菌Gloeotrichia spp. 的异细胞或同源体，以及子囊菌 Fractisporonites的孢子。A. tetragonala出现真正的二歧分支、节细胞、多层壁和多细胞丝中的大型同源细胞，这一套复杂形态组合表明，A. tetragonala是真核生物，而在原核生物中，这种特征组合是从未见过的。基于这些证据，A. tetragonala属于Gloetrichia类蓝细菌的假说被排除。与此相反，在浮游藻类和底栖藻类（Stramenopiles 和 Archaeplastida，红藻门和绿藻门）的不同支系中，已知有分支多细胞丝状形态。仅从形态特征来看，不能排除其与子囊菌纲的亲缘关系。不过，据报道Fractisporonites没有分枝。是否属于其他子囊菌目也值得怀疑，因为孢子通常由外鞘组成，而在这些标本中没有观察到这种外鞘。
图1 A. tetragonala 标本的显微照片。a-g 带有节细胞、等直径分枝、披针形褶皱（lf）和胞内包裹体（ICI）的分枝标本。
h, i 微化石的单列细丝 j, A. tetragonala 的草图，显示微化石的主要特征。黑星代表经过 SR-μXRF 分析的标本。
为了测试A. tetragonala的生物亲和性，科学家对提取的15个标本（共163个细胞）进行了同步辐射 X 射线荧光分析（SR-µXRF）。结果表明，主要金属元素（铁、镍、±铜、±锌、±钙和±S）和一些微量元素（钛、钒、锰和铬）均匀地分布在微化石壁中，褶皱处和微化石边缘的浓度较高，这是因为这些区域的厚度较大（图 2）。钾主要与小的方形氟化物有关（图 2），这些氟化物是在脱矿后的贮存溶液干燥过程中新形成的。钙总是存在于这些氟化物中，铁、镍、铜和锌偶尔也会出现。金属还可以形成附着在微化石表面的小热点，可能是在氧化物或硫化物中（图 2）。
图2 细胞内包含镍的特异性富集。a、g 所研究样本的显微照片。b-f 在 SLS（b、c 像素：1 μm，200 ms/px）、
SS（d、e 像素：400 nm，100 ms/px）
和相关复合图像（f，R：Fe，B：Ni）上获得的铁和镍 SR-μXRF 图谱。h-j 在 SLS（h，i 像素：1 μm，1 s/px）
和相关合成图像（j，R：Fe，B：Ni）中获得的 Fe 和 Ni SR-μXRF 图谱。这些地图显示，一些 ICI 也可能富含铁，
但铁在 ICI 中以小热点的形式存在，而镍则主要均匀分布。色标对应于归一化计数。(s.) 代表硫化物，(fl.) 代表附着在化石表面的氟化物。
注：瑞士光源（SLS；microXAS-X05LA 光束线，瑞士维利根）和同步辐射太阳光源（SS；Nanoscopium 光束线，法国伊维特河畔吉夫）。
图3 细胞内包含物的 XANES 分析凸显了四吡咯分子的存在。a 所研究标本的显微照片。
b, c 在SLS 上获得的铁和镍 SR-μXRF 图谱（像素：1.5 μm，200 ms/px）显示了细胞内包裹体 (ICI) 镍和铁的富集情况。
d 在铁含量较低的区域（灰色圆圈）中对 4 个 ICI 的Ni K-edge 进行的XANES 光谱及其线性组合拟合（红线），
以及两种镍卟啉（NiTPP：Ni(II)-四苯基卟啉，NiOEP：Ni(II)-八乙基卟啉）、沥青和氧化镍标准的 XANES 光谱。
肩部和光谱线形状是结合镍卟啉物种中配位 (IV) 镍的典型特征。
拟合光谱与数据之间的差异来自于拟合所用标准物质与角质中的四吡咯分子之间的分子异质性。
注：瑞士光源（SLS；microXAS-X05LA光束线，瑞士维利根）。
与细胞壁相比，ICIs 中的镍特别富集（ICIs 中的镍含量是细胞壁的1.5至17倍），而细胞壁中的镍与其他金属的分布模式相同。富含镍的ICIs中铁元素含量有限（图2）。在单个化石碎片的不同细胞中，ICIs的镍和铁含量各不相同。一些ICIs可能不含铁，而其他 ICIs 则显示出不同的铁富集。高分辨率SR-µXRF显示，当铁存在时，它并不与镍直接伴生，而是形成小块随机分布在ICI中（图2）。相反，镍则广泛而均匀地分布在ICI中。
XANES 数据证实了镍在四吡咯复合物中的积累。整体光谱形状以及A、B、C和D带的位置与镍卟啉标准（如镍八乙基卟啉[NiOEP] 和镍四苯基卟啉[NiTPP]）中观察到的卟啉型方阵N配位中的镍（II）一致（图3d）。这也得到了镍K-edge XANES光谱的线性组合拟合（LCF）的支持，LCF估计镍总量的90% 以上都处于这种配位中（图3d）。相比之下，光谱与石墨碳和腐殖酸配体中随机占据空位的镍原子以及NiN2O、NiN2S和NiN3复合物中配位的镍不一致。与游离卟啉相比，ICIs中镍的XANES光谱显示某些光谱特征变宽，相对强度和肩部位置也略有不同（图3d）。这种变化归因于卟啉中Ni(II)的配位发生了畸变，这些卟啉与大分子网络结合在一起，例如在沥青中观察到的畸变。值得注意的是，共价结合的四吡咯复合物的典型 XANES光谱在加热到高达480至565°C的沥青焦化残渣中得以保留，这证明了它们良好的热稳定性，也解释了为什么在经历了显著变质作用的亿万年前的化石中保留了镍-四吡咯分子。
化石细胞内金属结合分子的XANES提供了一种新的方法，可以揭示经历变质作用的有机物质中的降解卟啉。这种方法为追踪卟啉以及光营养提供了可能，其可以追溯到更久远的年代。事实上，XANES能够检测与不溶性有机物结合的四吡咯结构，从而降低了样品污染的风险，并可将结合的卟啉衍生物归类到单个微化石中。研究结果表明，在低品位变质岩中的ICIs中可以对关键的新陈代谢副产物进行原位检测，为破译个别神秘微化石的生物特征提供了一种全新的方法，并为了解早期地球生态系统打开了一扇新窗口。
原文来源：Sforna M C, Loron C C, Demoulin C F et al. 2022. Intracellular bound chlorophyll residues identify 1 Gyr-old fossils as eukaryotic algae. Nature Communications, 13, 146.
https://doi.org/10.1038/s41467-021-27810-7.
编辑：诸鹏飞
审核：盛捷