原文来源：Hickman-Lewis K,Cuadros J,Yi K,et al.,2025. Aluminous phyllosilicates promote exceptional nanoscale preservation of biogeochemical heterogeneities in Archean siliciclastic microbial mats. Nature Communications,16,2726.
https://doi.org/10.1038/s41467-025-57727-4.
研究背景
太古宙（4.0–2.5 Ga）为地球早期生命起源与演化的关键时期，其沉积记录为揭示早期生物圈的特征及地球环境的演变提供了至关重要的证据。前寒武纪生物地球化学信号常在低能和较封闭的环境下保存，如页岩等细粒沉积岩沉积环境下。相对而言，形成于高能水动力环境下的粗粒碎屑岩（如砂岩），由于受高能沉积环境的影响，有机质容易遭受氧化分解或被碎屑物质破坏，不利于其长期保存。然而，上述理论难以解释如下情况。在全球范围内多处太古宙克拉通区域，例如南非的巴伯顿绿岩带和澳大利亚的皮尔巴拉克拉通，发育的硅质碎屑岩中均能观察到微生物席及微生物诱导的沉积构造（MISS），这一发现表明这类岩石可能拥有特殊的不同于细粒沉积岩的碳质物质保存机制。
科学内涵
研究思路：
以澳大利亚皮尔巴拉克拉通Mosquito Creek组（MCF，约29亿年前）砂岩为研究对象，运用光学显微镜、扫描电子显微镜、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱、电子能量损失谱（EELS）、扫描透射X射线显微术（STXM）、高分辨率透射电镜（HRTEM）、扫描透射电镜（STEM）及纳米离子探针（NanoSIMS），构建了从沉积环境到矿物-碳质物质相互作用的宏观至纳米级的多尺度研究框架。同时，将MCF砂岩与其它太古宙硅质碎屑岩（如南非Moodies群3.22 Ga砂岩）的变质程度及保存特征进行详尽比较，推广了铝质层状硅酸盐矿物在碳质物质保存过程中发挥的重要作用，构建了相应模型。
核心发现：
光学显微镜观察表明碳质物质主要赋存于矿物颗粒间隙（如石英与长石晶间孔隙），形成厚达1 mm的连续层状结构，其内部可见毫米级纹层及与夹杂的粉砂级沉积颗粒，表明微生物席的周期性定殖与沉积物捕获作用，揭示了微生物席与铝质层状硅酸盐（如伊利石、高岭石）存在着紧密的共生关系（图1）。
图1 Mosquito Creek组微生物席的岩石学特征：显示富含碳质物质的微生物席位于分选差、粗细不一的长石砂岩中。微生物席微结构注释如下：U = 波状纹层；M = 微生物席覆盖在沉积层之上；P = 夹杂的颗粒；B = 微生物纹层的分叉与网状结构；R = 上卷。A中的红框表示D；B中的红框表示G；C中的红框表示E。
图2 Mosquito Creek组微生物席的显微光谱特征。A 二维拉曼相图，分别为石英（465 cm-1）、碳质物质（1600 cm-1）、碳酸盐矿物（1090 cm-1）、金红石（610 cm-1）和层状硅酸盐矿物（3620 cm-1）。B 傅里叶变换红外光谱（FTIR），分别为芳香碳（C=C; 1600 cm-1）、脂肪族碳（CH2和CH3; 2870、2930、2960 cm-1）和层状硅酸盐矿物（3650 cm-1）。
微生物席内的碳质物质主要以非晶态或弱石墨化形式存在，其与伊利石、高岭石等互层（图2）。在纳米级尺度内，伊利石纳米片层呈近平行排列，包裹碳质物质，形成封闭隔离单元，有效抑制其石墨化过程（图3）。同步辐射STXM成像进一步证实，碳质物质呈现孤立的纳米尺度分布，限制了碳原子的长距离迁移与重组（图4）。
在成岩过程中，高岭石向伊利石的转化是阻碍碳质物质石墨化的关键（图5）。研究表明，高岭石转变为伊利石的过程伴随约15%的体积收缩，从而在微生物席内形成局部低压区，保护碳质物质。
图3 Mosquito Creek组微生物席的高分辨率透射电镜（HRTEM）和电子能量损失谱（EELS）特征。A-C HRTEM图像显示碳质物质（白色箭头指示）在伊利石（黑色箭头指示）之间保存。D EELS光谱（1-2，碳质物质；3，层状硅酸盐矿物）。
图4 Mosquito Creek组微生物席扫描透射X射线显微术（STXM）（A-B）和纳米离子探针（NanoSIMS）（C）特征。
图5 铝质层状硅酸盐岩中碳质物质保存机制重要启示
启示1：揭示硅质碎屑岩碳质物质保存机制。铝质层状硅酸盐矿物（如伊利石、高岭石）与碳质物质在纳米尺度上具有协同保存机制。这一发现挑战了“碳质物质仅在细粒沉积岩中保存”的传统观念，为粗粒碎屑岩中生物地球化学信号的保存提供了理论基础。
启示2：拓宽早期生命研究与地外探测的视野。推动研究视野由传统的细粒沉积岩体系扩宽至更广泛的沉积体系。另外，火星Jezero陨石坑三角洲发育的砂体与MCF在矿物组合与沉积背景上相似，可能保留相似的生物标志物，为地外生命的探测提供潜在启示。
启示3：开辟纳米尺度多分析技术研究路径。结合光学显微镜、扫描电子显微镜、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱、电子能量损失谱（EELS）、扫描透射X射线显微术（STXM）、高分辨率透射电镜（HRTEM）、扫描透射电镜（STEM）及纳米离子探针（NanoSIMS）等一系列分析技术，构建了多尺度分析框架。本研究为绿片岩中生物地球化学信号的揭示提供了新思路，为深时生物标志物的研究开辟了新路径。
编辑：诸鹏飞
审核：盛捷