近日，《Communications Earth & Environment》期刊以“Carbonic anhydrase traced by cadmium isotope fractionations in Archean to Holocene stromatolitic carbonates”为题，发表了我室Simon V. Hohl副教授与合作者关于早期生命代谢与金属循环耦合机制的最新研究成果。该研究基于叠层石碳酸盐中镉（Cd）同位素组成，提出Cd同位素可以作为示踪指标，追踪深时尺度微生物代谢关键酶——碳酸酐酶（carbonic anhydrase, CA）的活动，为揭示太古宙微生物代谢演化及“金属组”（metallome）的发展提供了新的地球化学约束。
生命起源与早期演化过程中，生命的能量获取方式及其与金属元素之间的相互作用，是当前生物地球化学研究的重要前沿问题。叠层石作为一种特征性的纹层状微生物岩，记录了生物圈、大气圈与水圈之间的相互作用，是研究早期生命与环境协同演化的重要载体。生命碳固定的演化依赖于多种代谢途径，与碳酸酐酶等关键酶所需的金属元素可利用程度密切相关。碳酸酐酶在调控CO2与HCO3-转化、维持微环境pH以及促进碳固定过程中发挥关键作用，被认为是微生物碳固定能力提升及其适应早期地球环境的重要演化突破。现代光合微生物通过碳酸酐酶摄取Cd所产生的稳定Cd同位素分馏，可被清晰记录在自生碳酸盐中。然而，该示踪方法能否适用于地质记录中微生物碳酸酐酶活动的追踪，尚缺乏系统验证，限制了对碳酸酐酶地质起源与演化的反演，从而制约了对早期碳循环及微生物代谢机制的认识。
针对这一科学问题，该研究选取西澳大利亚不同时代的叠层石样品开展系统研究，包括约33.5亿年前的Strelley Pool组、约27.2亿年前的Tumbiana组以及全新世鲨鱼湾Hamelin Pool现代类比体系；继而开展Cd稳定同位素与一系列营养元素地球化学分析，重建不同地质时期微生物群落中金属利用与碳代谢过程。
图1 太古代Strelley Pool组、Tumbiana组和鲨鱼湾Hamelin Pool叠层石碳酸盐相Cd含量及其同位素组成与其碳同位素组成的关系
研究发现，在全新世鲨鱼湾Hamelin Pool叠层石中，Cd同位素呈显著的瑞利分馏模式，与磷（P）、锌（Zn）等营养元素显著正相关，表明现代微生物席中光合微生物通过含Cd的碳酸酐酶进行碳固定。值得注意的是，~27.2亿年前Tumbiana组湖相叠层石也记录了相似的Cd同位素分馏特征，生物硅、硫同位素及氧化还原敏感指标的综合分析进一步揭示Cd作为碳酸酐酶金属辅因子的机制可能至少在中太古代已广泛存在。
然而，~33.5亿年前的Strelley Pool组海相叠层石，虽然也显示一定的Cd同位素分馏，但与P、Cd/Zn比值的协变关系较弱，指示古太古代已存在酶促金属循环，但金属辅因子的利用及碳代谢体系可能仍较为原始，反映了该时期微生物栖息环境中的溶解态微量金属较为匮乏。
综上，至少自中太古代以来，Cd已作为金属辅因子被摄取进入碳酸酐酶并驱动一系列微生物代谢过程。
图2 太古宙和全新世叠层石碳酸盐相生物可利用金属（Zn、Cd、Cu、Ni）与磷（P）的协同变化关系
图3 叠层石碳酸盐相Cd同位素组成与营养元素的协变关系
此外，该研究还发现，从中太古代到新太古代，叠层石碳酸盐中的Cd/Zn比值呈持续上升趋势，表明在Zn受限的环境条件下，微生物对Cd的利用逐渐增加。这一演化趋势与大气氧含量及叠层石丰度变化在时间上具有良好的对应关系，指示金属辅因子协同演化与早期光合微生物碳代谢密切相关：生命通过不断调整金属利用策略以适应环境变化，并通过碳代谢过程反馈调控地球表层环境演化。
图4 叠层石记录中Cd同位素与Cd/Zn比值的时间演化。（A）大气氧含量演化与叠层石丰度变化；（B）不同地质时代微生物栖息地流体Cd同位素组成；（C）叠层石碳酸盐相Cd/Zn比值随时间的演化过程，指示微生物在Zn限制条件下对Cd的利用逐渐增加
该研究不仅为追踪深时尺度微生物代谢关键酶活动提供了重要工具，亦为理解金属组演化及其对早期地球碳循环和生命演化过程的影响提供了新的认识。
论文第一作者兼通讯作者为我室Simon V. Hohl副教授，合作者包括汉诺威莱布尼茨大学Sebastian Viehmann副教授、柏林自由大学Philipp Gleissner博士、诺桑比亚大学Ashley N. Martin助理教授以及悉尼新南威尔士大学Martin J. Van Kranendonk教授。该研究得到国家自然科学基金外国资深学者研究项目和同济大学全球重点合作伙伴培养计划的资助。
全文链接： https://doi.org/10.1038/s43247-026-03291-8