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即使没有阳光,地下生命也能制造氧气

SF中文 2023/7/30 14:14:05 责编:梦泽

本文来自微信公众号:SF 中文 (ID:kexuejiaodian),作者:SF

在一些地下深处的含水层中,微生物利用一种化学技巧,可以制造出能够维持整个地下生态系统的氧气。这不仅打破了我们对地下生态系统的基本认知,还能有助于我们寻找地外生命。

文 | 陈强

科学家已经意识到,在我们脚下的土壤和岩石中,存在着一个巨大的生物圈。尽管人们对这些地下生命知之甚少,但它们占了地球生物总质量很大一部分,其多样性可能超过了地表生命。

不过,科学家通常假定,地下许多地方都是缺氧的区域,只有一些原始的微生物能够保持缓慢的新陈代谢,靠着微量的营养物质勉强存活。科学家还认为,随着深度的增加,营养资源会越来越稀缺,生命的数量会变得越来越少。

然而,最近的一个发现推翻了这种看法。在加拿大一处离地表 200 多米的地下水中,科学家发现了大量的微生物。而且令人意想不到的是,即使在没有阳光的情况下,这些微生物也能产生大量的氧气。氧气如此之多,以至于科学家都感觉它们像是来自亚马孙雨林产生的。科学家还认为,这些氧气为地下水和周围地层中依赖氧气的生命,创造了有利的生存条件。

深层地下水溶解着大量的氧气

这项新研究调查了加拿大艾伯塔省的一处深层含水层。由于那里的畜牧业和农业严重依赖地下水,当地政府会积极监测水的酸碱度和化学成分的变化。然而,没有人系统地研究过地下水中的微生物。

2015 年,当时在加拿大卡尔加里大学做微生物学博士后研究的埃米尔・拉夫(Emil Ruff),选择了对这个地区进行调查。他以为这是“一件易如反掌的事”,但万万没有想到,这个研究会让他在接下来的 6 年里费尽心思。

在艾伯塔省的 95 个井中采集地下水后,拉夫和他的同事开始进行了基本的显微镜检查。他们用一种核酸染料对地下水样本中的微生物细胞进行染色,并用荧光显微镜对它们进行计数。通过对样本中的有机物进行放射性年代测定,并检查它们被采集的深度,研究人员能够确定他们所抽取的地下水含水层形成的年代。

然而,数据中的出现的一个规律让他们感到困惑。例如,通常在对海底沉积物进行调查时,科学家发现微生物细胞的数量会随着深度的增加而减少。更老、更深的样本不会包含太多的生命,因为它们与上面植物和藻类所产生的营养物质离得更远。但是,令研究人员惊讶的是,在这里,更老、更深的地下水中往往含有更多的微生物细胞。

拉夫等人随后对样本中的微生物进行了识别,其方法是使用分子工具来发现它们特有的标记基因。结果显示,样本中很多都是产甲烷古菌(methanogenic archaea)—— 一种单细胞微生物,它们在消耗从岩石或腐烂有机物中的氢气和碳后,会产生甲烷。他们还发现了许多以甲烷或水中的矿物质为食的细菌。

然而,不合理的是,许多细菌是需氧菌(aerobe),它们需要氧气来消化甲烷和其他化合物。在没有光合作用的情况下,地下水中应该没有氧气,那么需氧菌如何在地下水中茁壮成长呢?

研究人员对其进行了化学分析,发现在这些来自 200 多米深的地下水样本中,溶解着大量的氧气。这是一件闻所未闻的事情。“我们肯定是弄坏了样本!”拉夫最初的反应是这样。他首先试图证明样本中溶解的氧气是由于操作不当造成的。然而,数百个样本都含有大量的氧气,操作不当似乎无法解释这一现象。

如果溶解的氧气不是来自于外部污染,那么它是从哪里来的呢?拉夫意识到他的研究可能是一项前所未有的重大发现,这有可能打破我们对地下生态系统的基本认知。

微生物分解化合物可产生氧气

理论上,地下水中溶解的氧气可能来自植物、微生物或地质过程。为了找到答案,研究人员使用了质谱法,一种可以测量原子同位素质量的技术。通常来说,地质过程产生的氧原子比生物产生的氧原子更重。他们发现,地下水样本中的氧原子是轻的,这意味着它一定是来自生物。最有可能的候选者是微生物。

研究人员测定了地下水中整个微生物群落的基因组,并追踪了最有可能产生氧气的途径。答案一直指向了卡尔加里大学的马克・斯特劳斯(Marc Strous)之前所发现的一个现象。斯特劳斯是这项新研究的高级作者,也是当时拉夫工作的实验室的负责人。

在十多年前,斯特劳斯就发现,一种常常出现于湖泊沉积物和污水污泥中的细菌,有着一种特别的生存方式。这种细菌以甲烷为食,但它不像其他需氧菌那样从周围环境中摄取氧气,而是利用酶来分解亚硝酸盐(含有由一个氮原子和两个氧原子组成的化学基团)来为自己产生氧气。然后,细菌会利用自己产生的氧气消化甲烷以获取能量。

科学家曾认为,这种分解化合物产生氧气的方法,在自然界中是很罕见的。然而在 2022 年,一组科学家在实验室中,通过对人工微生物群落进行检测后发现,分解作用产生的氧气可以从细胞里释放出来,并进入周围介质中,其他依赖氧气的生物可以借此生存。拉夫认为,这可能就是需氧微生物群落在地下水中,以及周围土层中茁壮成长的原因。

这个发现有助于寻找地外生命

这一发现,不仅揭示了分解作用如何参与生物圈中物质的循环,它还能帮助我们理解地下生物圈是如何演化的。仅仅是地下水富含氧气的可能性,“就改变了我们对地下过去、现在和未来的理解。”拉夫说道。

此外,了解我们星球地表下存在着什么样的生命,还能有助于我们寻找地外生命。例如,木卫二和土卫二的厚厚的冰层之下,可能存在着液态水构成的海洋,阳光可能无法穿透到那里,但氧气可能由那里的微生物的分解作用产生。如果我们有一天在像这样的星球发现了生命,它们很可能就是靠着分解作用产生氧气而生存下来的。

参考文献:

  • https://doi.org/10.1038/s41467-023-38523-4

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关键词:微生物氧气

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