微生物不仅是地球上最早的生命形式，也是深刻塑造海洋化学环境的重要力量。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联合西北大学张兴亮教授等，在华南埃迪卡拉陡山沱组燧石结核中保存的微生物化石内，发现了距今约6.32亿年的胞内重晶石（图1）。这是目前地质记录中最早、最直接的微生物介导重晶石生物矿化证据。这一发现不仅为长期悬而未决的古海洋钡循环问题提供了关键机制解释，也为认识“雪球地球”冰期结束后海洋环境恢复与生命演化之间的耦合关系打开了新的窗口。相关成果发表于国际学术期刊GRL。
图1 6.32亿年前微生物细胞内重晶石生物矿化直接证据
一、困扰地球化学界多年的科学问题
钡（Ba）是海洋中的重要微量元素，常以重晶石（BaSO₄）的形式沉淀下来。重晶石广泛存在于现代和古代海洋沉积物中，是重建古海洋生产力、营养盐循环和海水化学状态的重要指标。然而，一个核心难题始终存在：现代海水整体上对重晶石往往并不饱和，为什么沉积物中却普遍存在重晶石？
近年来，越来越多的研究提示，微生物活动可能通过局部微环境调控促进重晶石成核和沉淀。但这些认识大多来自现代海洋体系或实验模拟，对于深时地质记录中的古老重晶石，尤其是其是否与特定微生物直接相关，长期缺乏明确、原位的化石证据。这使得人们虽然知道“生物可能参与了古海洋钡循环”，却始终难以回答：到底是哪类生物、通过何种机制、在什么环境背景下影响了钡循环？
二、在6.32亿年前化石细胞中发现“被锁定”的重晶石
研究团队聚焦于华南峡东地区陡山沱组第二段燧石结核中的球状微体化石Archaeophycus yunnanensis。该套地层形成于“雪球地球”马里诺冰期结束后不久，是研究极端全球冰期后海洋环境恢复、元素循环重建与生命演化过程的重要地质窗口。
研究团队综合运用光学显微镜、扫描电镜、聚焦离子束以及透射电镜等多种技术，对微体化石开展了高分辨率原位研究。结果发现，光学显微镜下，该球状微生物化石呈深棕色，细胞直径约为7.5-20.0微米。绝大多数化石细胞以磷灰石形式保存，仅少数细胞内出现重晶石沉积（图2）。
图2 华南峡东地区陡山沱组第二段球状微体化石及其胞内重晶石
透射电镜高分辨成像进一步揭示，这些重晶石形成了独特的“笼状”超微结构，其内部及外围均被结晶较差的磷灰石包裹。尤其值得关注的是，重晶石晶体严格受限于细胞内部特定位置，并与残余有机质及亚细胞结构密切相关，表明其矿化过程可能受亚细胞结构模板引导（图3）。
图3 具胞内重晶石的微化石的透射电镜特征
与之形成鲜明对比的是，那些仅含磷灰石、不含重晶石的细胞，其内部磷灰石晶体呈柱状、定向排列，属于细胞死亡后有机质降解、磷酸盐充填细胞内部空间的典型成岩过程。此外，部分不含重晶石的细胞表面和内部可见黄铁矿、闪锌矿等硫化物矿物，说明硫酸盐还原驱动的微生物降解过程可能抑制了重晶石形成（图4）。上述显微结构与矿物学差异共同表明：这些胞内重晶石形成于细胞尚未完全降解之前，是受细胞内部结构调控的原位生物矿化产物，而非后期无机流体充填。
图4 不含胞内重晶石的微化石的透射电镜特征
这表明，早在6.32亿年前，古海洋中的微生物就已经能够在细胞内部富集钡并诱导重晶石形成。这一发现将对重晶石形成机制的认识，从“可能与微生物有关”推进到“在微体化石中直接观察到的胞内过程”这一实证层面。
三、显微结构与同位素证据联用，打通“细胞过程”与“海洋信号”
研究团队进一步对结核样品进行了主微量元素及钡同位素（δ138Ba）测定。通过三端元混合模型（碎屑物质、成岩方解石、细胞内重晶石），计算出细胞内生物成因重晶石的δ138Ba值可低至-0.88‰，显著低于同期海相碳酸盐岩记录的海洋钡同位素组成（约-0.27‰）。这一结果表明，在胞内重晶石形成过程中，微生物优先富集了较轻的钡同位素，产生了显著的同位素分馏效应。换言之，微生物并不仅仅“参与”钡的沉淀，而是可能通过胞内矿化过程，主动“塑造”海洋钡循环的同位素特征。
此前，“雪球地球”冰期结束后的碳酸盐地层中广泛记录到异常偏轻的钡同位素信号，但其成因一直存在争议。该研究首次提供了一个清晰、具体且具有化石支撑的生物学解释：古海洋微生物通过在细胞内形成重晶石并优先吸收轻钡同位素，从而引发显著的钡同位素分馏；随后，这些胞内矿物在水体或早期成岩过程中溶解，将轻钡重新释放，其信号最终被沉积记录所捕获。简言之，研究团队首次将“细胞尺度的矿化过程”与“盆地尺度的地球化学信号”直接贯通，为破解马里诺冰期后海洋中轻钡同位素来源问题提供了关键缺失的一环。
四、“先矿化、再封存”：一个极具启发性的保存机制
这项研究还揭示了一个看似矛盾却至关重要的现象：尽管胞内重晶石的形成可能增加细胞后期的降解风险，但这些极为精细的矿化结构却被完整保存下来。其保存的关键在于陡山沱组燧石结核形成了一个极为特殊的埋藏窗口。研究认为，在重晶石和磷灰石形成后，紧随其后的快速硅化作用像“天然封印”一样，迅速把这些脆弱的细胞结构和矿物组合锁定在燧石基质之中，从而有效抵御了后期微生物硫酸盐还原作用对重晶石的溶解和破坏。正是这种“先形成、再封存”的组合过程，使得6亿多年前微生物细胞内部的矿化细节得以跨越深时保存至今（图5）。
这一认识不仅深化了人们对陡山沱组特异埋藏化石保存机制的理解，也启发我们：深时地质记录中许多看似普通的矿物，都可能是微观生命复杂活动的忠实记录者。
图5 “雪球地球”事件后微生物参与重晶石沉淀及钡生物地球化学循环的概念模型
五、意义与启示
首先，该研究首次在地质记录中证实了微生物胞内重晶石生物矿化的存在（尽管矿化发生于细胞死亡前或后尚未定论），拓展了人们对早期生命矿化能力及其元素调控方式的认识。其次，它为解释“雪球地球”后海洋中异常轻钡同位素信号提供了直接、可检验的生物学机制，从而将钡同位素的应用从“经验型环境指标”提升为基于明确生物地球化学过程的“机制型示踪工具”。第三，这项研究表明，在地球经历极端冰期之后，微生物不仅是生态系统恢复的参与者，更可能是调控海洋元素循环和化学重建的关键驱动力。这对于理解埃迪卡拉纪海洋环境演化、早期生态系统重建乃至复杂生命兴起的背景条件，都具有重要启发意义。更广泛地看，该成果展示了将纳米尺度化石证据与同位素地球化学相结合的强大潜力，为探索早期地球生命如何影响海洋和地球系统演化提供了新的研究案例。从一个细胞内部的矿物颗粒，到全球尺度海洋元素循环，这项研究再次说明：微观的生命活动，可能深刻塑造了地球历史的走向。
研究成果发表于GRL（程师其，冯连君，杨英杰，储雪蕾，张兴亮，李金华*. Microbially mediated intracellular barite mineralization: Evidence from an early Ediacaran microfossil in the Doushantuo Formation of South China[J]. Geophysical Research Letters, 2026, 53: e2025GL121528. DOI: 10.1029/2025GL121528.）。研究得到国家重点研发计划（2023YFF0803603）、国家自然科学基金（42225402, 42388101）及地球多圈层相互作用烃类富集理论项目（THEMSIE04010106）的资助。
程师其（博士生）
