氮元素作为组成氨基酸和核酸的基本元素之一，其吸收对生物的生存至关重要。生物通常不能直接利用空气中的氮气，而某些特殊类型的蓝藻可以将空气中的氮气转化为生物可吸收利用的化合态氮（氨 NH3 或铵根离子 NH4+），为其他生物提供了氮的来源。因此，具有固氮能力的蓝藻在地球上何时出现，对理解早期生命演化过程及其地球环境背景具有重要意义。
近日，中国科学院南京地质古生物研究所庞科博士等在该所早期生命研究团队袁训来等人的指导下，发现 8 亿年前具有异形胞的蓝藻化石——“大型安徽丝藻”，这也是迄今为止最早的生物固氮化石证据，被科学家称为是最早的“天然氮肥工厂”。
蓝藻又称为蓝细菌，是一类简单、低等的自养原核生物，现在人类食用的“地皮菜”、“螺旋藻”等，也属蓝藻类群。其实，早在 30 亿年前，蓝藻便“占领”了地球，它也是地球上最古老、生存时间最长的生物门类之一。蓝藻通过光合作用释放氧气，使早期地球大气从无氧状态逐渐演化到有氧状态，从而孕育了其他好氧生物的进化和发展。
然而，随着大气中氧气含量的不断上升，早期生命可以直接利用的化合态氮（如氨气）的含量却急剧下降，生命如何获得生存所必须的氮元素，成为摆在生命演化史上的一个难题。就在这时，有这么一批蓝藻，为适应这种剧烈的环境变化，产生了一种特殊的“装置”，叫做异形胞。
异形胞是一种缺乏光合结构、通常比普通营养细胞大的特化的厚壁细胞。在异形胞内含有丰富的固氮酶，是蓝藻进行固氮作用的场所。异形胞的形成是为了在原有的细胞壁外形成包被层以阻挡氧气的进入，保证异形胞内部形成微氧环境，以保护固氮酶不被失活，从而能在富氧的环境中进行固氮作用。
这些异型胞如同一个小型的“氮肥工厂”，可以牢牢固定住空气中的氮元素，不仅给自身营养细胞提供氮，且蓝藻死后也会给生物圈提供源源不断的氮源。具备异形胞的蓝藻也是早期生物固氮的直接证据。科研人员发现的“大型安徽丝藻”便是第一批具有固氮功能的具异形胞蓝藻。
新元古代早期刘老碑组中具异形胞蓝藻化石。图 a 为保存在岩石手标本表面的微生物席构造，图 f 中箭头所示为厚壁孢子。经过多年的挖掘，科研人员通过积累，获得数百枚丝体化石，在高倍实体显微镜下仔细观察后，发现绝大多数保存了较好的多细胞和细胞分化的结构，从而便将其命名为“大型安徽丝藻”（Anhuithrix magna new genus and new combination）。
之前唯一可信的保存有异形胞和厚壁孢子的化石，来自于约 4.1 亿年前的泥盆纪莱尼燧石，因此 8 亿年前的“大型安徽丝藻”是迄今为止最早的生物固氮的化石证据，并将生物固氮的化石证据推前了近 4 亿年，是名副其实的地球上最早的“天然氮肥工厂”！该发现也间接证明 8 亿年前地球大气中氧气浓度较高，蓝藻演化出异形胞来应对氧气浓度上升、并保护其中对氧气敏感的固氮酶。
这也从生物学方面独立地提供新元古代早期氧化还原条件的约束。
“蓝藻的光合作用使地球上氧含量逐渐攀升，在这样的环境下，大型安徽丝藻为了保护体内对氧敏感的固氮酶，出现了具有隔离氧气作用的异型胞。这种现象正是地球生命与环境互相影响协同演化的典型实例。”南京古生物所早期生命研究团队负责人袁训来如是说。
相关成果于 2 月 2 日在线发表在《细胞》出版集团《当代生物学》（Current Biology）杂志上。