微生物是地球上出现最早的生命形式，是生态系统的缔造者，并通过代谢活动参与地球环境演化。然而，由于个体小、形态简单和不易保存化石等特点，地球早期地质记录中微生物化石的研究极富挑战。近日，中国科学院地质与地球物理研究所李金华研究员团队与西北大学张兴亮教授团队等合作，在传统古生物学分析基础上，利用多种先进的显微学和显微谱学技术，对我国华南地区扬子板块的埃迪卡拉纪陡山沱组硅质结核中的微生物化石开展了从亚毫米至原子尺度的形貌、结构、矿物组成和分布特征等精细研究，发现结核中分布有大量的丝状微化石Polytrichoides lineatus（蓝细菌），其细胞质和细胞壁（细胞外鞘）分别由微米级和纳米级的石英保存，推测纳米级石英颗粒在细胞壁或细胞外鞘内的初始沉淀可能对微生物亚细胞结构的保存起着至关重要的作用。综合前人的研究结果，该研究揭示了在成冰纪冰期结束后，以蓝细菌主导的生态系统开始迅速恢复并扩张，贡献了主要的初级生产力和溶解氧，这为探讨“雪球地球”后海洋环境恢复和生态系统演化提供了新证据。
1. 华南扬子板块陡山沱二段底部硅质结核的微结构
湖北宜昌三峡九龙湾剖面埃迪卡拉系陡山沱组发育完整、出露连续、变质程度低，是开展该时期古环境、古生物与地层学研究的理想剖面(图1a)。该剖面陡山沱组二段下部的黑色页岩中广泛发育大量的硅质结核(图1b)。基于扫描电镜的大面积自动矿物分析结果显示，硅质结核由三部分组成(图1c-图1d)，从内到外依次是：石英核，自形黄铁矿边及方解石外缘；结核周围的围岩由层状白云石、石英和粘土矿物组成，含少量方解石、磷灰石和黄铁矿。结核围岩的微纹层厚度从几十微米到几百微米不等，并围绕结核弯曲展布(图1e-图1f)，表明结核在早期成岩过程中固结，因此有效地抵抗了后期的成岩改造和压实。
图1 湖北宜昌三峡地区地质简图、采样露头以及硅质结核的微结构和化学特征。(a) 宜昌峡东地区地质简图；(b) 陡山沱组Ⅱ段的黑色岩系及硅质结核； (c) 岩石样品截面的背散射扫描电镜图像；(d) 图像(c)对应的石英(绿色)、白云石(红色)、方解石(紫色)和黄铁矿(黄色)四种矿物空间分布的叠加图；(e) 图像(c)中黄色虚线框指示区域的部分硅质结核及其围岩的放大图像；(f) 图像(e)对应的石英(绿色)、白云石(红色)、方解石(青色)、黄铁矿(黄色)和磷灰石(粉色)五种矿物空间分布的叠加图
2. 硅质结核中微生物化石多样性及其生态学意义
利用偏光显微镜对17个硅质结核制成的45张岩相薄片中的微化石形貌及其结构进行了细致观察和统计，共发现了7属11种微化石，包括有丝状和球状蓝细菌、多细胞藻类以及带刺疑源类。对埃迪卡拉纪早期微化石的半定量鉴定，可以帮助我们初步讨论“雪球地球”后生态系统的恢复。结果表明，该微化石组合以颤藻科丝状蓝细菌为主，如Siphonophycus、Salome hubeiensis，而真核藻类化石相对少见(图2)。这揭示了在冰期结束后，该地区的海洋生态系统以颤藻科蓝细菌重新繁盛为主要特征。作为该时期最重要的造席和产氧微生物之一，其繁殖不仅迅速提高初级生产力，还会进一步造成海洋氧化，极大地促进了冰川后海洋生态系统的重建和快速进化，从而为埃迪卡拉纪多细胞真核生物的辐射和后生动物的进化提供了重要条件。
图2 九龙湾段陡山沱组Ⅱ段下部硅质结核中的微化石记录
图3 九龙湾段陡山沱组Ⅱ段硅质结核内的微化石光学显微照片。(a) Siphonophycus septatum；(b) Siphonophycus robustum；(c) Siphonophycus typium； (d) Siphonophycus kestron；(e) Siphonophycus solidum；(f) Salome hubeiensis； (g) Obruchevella parva；(h) Polytrichoides lineatus；(i) Myxococcoides；(j) Wengania minuta；(k) Tianzhushania spinosa
3. 微生物化石的硅化保存及其埋藏学
进一步利用共聚焦激光拉曼光谱仪(CLRS）、扫描电镜(SEM)、聚焦离子束（FIB）、透射电镜(TEM)对丝状微化石Polytrichoides lineatus (P.lineatus)及非化石基质区域的矿物分析研究表明：(1) 微化石和基质区域都保存了干酪根，但微化石富集干酪根，其形态正是由富集的干酪根显现出来(图4a-图4e)；(2) 细胞壁或细胞外鞘中的石英颗粒尺寸小，介于60-210纳米，平均粒径为115 ± 42纳米(n = 44)，亚圆形或不规则，随机取向，松散堆积(图5b-图5d, 图5i)；(3) 细胞质内石英颗粒尺寸较大，介于720-1980纳米之间，平均粒径为1150 ± 258 纳米 (n=46)，形状不规则，随机取向，松散堆积(图5e-图5g, 图5j)；(4) 非化石基质中的石英颗粒大小不一，粒度从几十纳米到几十微米不等，形状较规则，随机取向，紧密堆积(图6)。细胞壁(或细胞外鞘)和细胞质内石英颗粒尺寸的显著区别(图5)表明微生物的初始硅化可能是由不同亚细胞结构的微环境及其相关的异质化学性质控制的。
此外，细胞壁或细胞外鞘内的纳米级石英颗粒形态与现代微生物硅化早期阶段观察到的不透明二氧化硅球体十分相似。而且，在更古老的硅化化石中也发现了类似的以无定形或结晶性极差的形式存在二氧化硅球体。鉴于此，该研究认为纳米级二氧化硅颗粒在微生物细胞壁(或细胞外鞘)内的初始沉淀是保存亚细胞结构的先决条件。一方面，它可以通过形成有机-矿物复合物，有效防止细胞死亡后有机物的快速降解。另一方面，细胞壁或细胞外鞘的密度和结构所施加的物理约束(狭窄且封闭)可能会限制二氧化硅晶体的生长和重结晶。而这些过程很可能发生在细胞质和非化石基质区域(图5e、图6)。
图4 丝状微化石Polytrichoides lineatus (P. lineatus)的拉曼显微光谱和扫描电镜分析。(a) P. lineatus的光学显微照片；(b) 微化石体、相邻非化石基质以及制备岩相薄片的环氧树脂所对应的拉曼光谱；(c，d) 图像(a)中黄色实线框指示区域的石英(436-481 cm-1) (c)和碳质材料(1531-1660 cm-1) (d)的二维拉曼图像；(e) 图像(a)中黄色实线框指示区域的三维拉曼图像；(f) P. lineatus的背散射扫描电镜图像；黄色实线显示FIB-SEM切割位置；(g) 图像(f)中的黑色虚线框指示区域的放大图像；(h) P. lineatus的背散射扫描电镜图像(斜剖面)；细胞壁(或细胞外鞘) (CW)；细胞质(Cy)；非化石基质(Mat)
图5 丝状微化石Polytrichoides lineatus的透射电镜特征。(a) 图像4f中黄色实线对应位置获得的超薄切片的部分HAADF-STEM图像。白色双曲线指示细胞壁或细胞外鞘的位置；(b) 图像(a)中黄色虚线框指示区域的放大图像，显示细胞壁或细胞外鞘内的纳米级石英颗粒；(c) 图像(b)对应的Si(蓝色)和C(红色)的元素空间分布的叠加图；(d) 图像(b)中的黄色虚线框指示区域的SAED图像，对应石英晶粒的[0-11]带轴；(e) 图像(a)中黄色虚线框指示区域的放大图像，显示细胞质内的微米级石英颗粒；(f) 图像(e)对应的Si(蓝色)和C(红色)的元素空间分布的叠加图；(g) 图像(e)中的黄色虚线框指示区域的SAED图像，对应石英晶粒的[001]带轴；(h) 图像(c)中ROI 1(富碳物质)和ROI 2(石英颗粒)标记区域的STEM-EDXS谱图；(i，j) 细胞壁(或细胞外鞘) (i)和细胞质(j)中石英颗粒的粒径分布
图6 丝状微化石Polytrichoides lineatus相邻的非化石基质的透射电镜特征。(a) 非化石基质的亮场TEM图像；右上角插图显示FIB-SEM切割位置；(b，c) 图像(a)中的黄色虚线框指示区域的放大图像，显示非化石基质中形状规则，紧密堆积的石英颗粒；(d) 图像(b)中黄色虚线框指示区域的SAED图像，对应石英晶粒的[0-11]带轴
综上，该研究借助多尺度、多参数的微区原位分析技术，揭示了硅化在细胞壁或细胞外鞘内的初始沉淀过程，其对微生物亚细胞结构的保存起着至关重要的作用。而这种硅化过程很可能是前寒武纪微生物化石的保存的重要机制。这些保存精美的化石更为揭示成冰纪以后海洋环境和生态系统的复苏和演化提供了新证据。
研究成果发表于Chemical Geology（程师其，冯连君，张朝群，崔琳浩，刘伟，邱浩，何适，储雪蕾，张兴亮*，李金华*. Nanoscale characterization of Ediacaran microfossils from lower Doushantuo Formation chert nodules. Chemical Geology, 2024, 662: 122250. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2024.122250.）。研究得到了国家自然科学基金(项目号：42225402, 41890843和41920104009)，南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海)创新团队项目(项目号：311022004)和陕西省自然科学基础研究计划项目(2022JC-DW5-01)的共同资助。