在黑暗環境中以氫為食的生物

2020-12-24 新都教育



在一些黑暗的生態系統中，光照的缺乏使得光合作用無法進行。在那樣的環境中，生命是由化學能維持的。化學合成的作用與光合作用所扮演的角色很類似，只是化學合成過程不需要光的參與。一直以來，科學家都希望能夠更好地理解來自地球的化學營養物質，是如何為化學合成的生物圈提供燃料的。


最近，一個科學家團隊通過從世界各地被冰雪覆蓋的棲息地收集到的數據，對微生物在冰蓋和冰川之下的生存有了新的見解。他們也認識到這些生物在延續在冰河時代的生命，甚至是在其他星球上那些荒涼環境中延續生命時所扮演的角色。他們的研究結果已發表在近期的《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。



研究人員分析了從兩個地方採集到的沉積物樣本，一個來自加拿大亞伯塔的羅伯森冰川，另一個來自於冰島的Kotlujokull冰川，並研究了水和微生物是如何與冰川下的基巖相互作用的。


在談起這一研究的靈感來源時，論文的作者Eric Boyd介紹說，一直以來，他們都在這樣的冰下環境中發現了由氫氣支持的生物的存在。起初他們無法理解，因為他們想像不出冰川下的氫氣是從哪裡來的。


後來他們發現，通過一系列物理和化學過程，冰川下面富含矽的基巖會被上面重重的冰層磨成微小的礦物顆粒，當這些礦物顆粒與冰川融水結合時，就會釋放出氫氣。而更令研究人員興奮的是，冰川下的微生物群落可以將氫氣和二氧化碳結合起來，通過化學合成過程產生更多的有機物質（即生物量）。


為了更好地了解這些進行化學合成的微生物具體做了些什麼，研究人員將加拿大和冰島的沉積物樣本帶回實驗室中，培養了發現於沉積物中的活體生物樣本。他們想要看看，在實驗室環境中，這些生物能否繼續生長。



然而在實驗操作的過程中，研究人員卻面臨一個較為棘手的難點：他們感興趣的微生物是依靠氫氣生長的，這些生物大多數都是一些厭氧菌，也就是說當它們與氧氣接觸時，很有可能就會死亡。


因此在準備實驗的過程中，將樣本放入瓶中成了實驗過程中最關鍵、也是難度最大的一步。這個過程需要儘可能快地將所有氧氣排除出去，如此才能保證目標生物不會被殺死。


Kotlujokull是冰島第四大冰川，這裡有大量的微生物，它們的生命是由玄武巖基巖風化產生的氫所維持的。| 圖片來源：Eric S. Boyd


通過幾個月的觀察，研究人員不僅發現了這些生物群落在實驗室環境中的增長，同時還觀察到冰川下的基巖類型對氫氣產生的影響，而氫氣的產生又反過來影響了那些能更好地適應氫氣代謝的微生物群落的存在。


Kotlujokull冰川位於玄武巖基巖之上，而羅伯森冰川下是碳酸鹽基巖。結果顯示，採集自Kotlujokull冰川的樣本所產生的氫氣，比採集自羅伯森冰川的樣本所產生的的氫氣要多得多。


研究人員還發現，當微生物利用氫氣來生產能量的同時，它們也從會空氣中吸收二氧化碳，以此來進行增殖和生長。這種「固」碳能力是氣候調節過程的一個關鍵步驟，也是這種化學合成與植物光合作用的另一個相似之處。



現如今，冰川和冰原覆蓋了全球約10%的陸地，而這個數字比過去的地球要小了一些。研究人員相信，無論是在過去還是現在，微生物的活動可能都對地球的氣候產生了重大影響。


據研究人員介紹，科學家們早已知道，生活在冰原或冰川下的微生物具有固碳能力，但卻從未真正了解它們是如何做到這一點的。而新的研究工作表明，這些生物不僅可以產生自身「固定」的碳，做到完全的「自給自足」，而且它們還不像其他大多數生物那樣需要陽光的幫助。


從這一點我們能獲得什麼啟示呢？天體生物學家一直在尋找可能存在於太陽系或太陽系之外的其他行星上的生命，一個評估某顆星球上是否宜居的關鍵參數就是水和能源。新的發現表明，可自我維持的微生物群落可以通過產生氫氣而在冰冷的環境中蓬勃發展，這對於識別其他行星是否存在潛在的宜居環境是一條關鍵信息。


我們早已經發現了在其他許多星球上存在冰川的證據，但是我們並不知道那裡是否有生命。現在，科學家們或許可以思考，在那些有著與這項研究中所涉及到的基巖類似的行星上，是否存在著生活在冰川下的微生物？新研究的作者認為，答案應該是肯定的。


參考來源：

https://phys.org/news/2020-12-hydrogen-supported-life-beneath-glaciers.html

https://www.pnas.org/content/early/2020/12/16/2007051117


封面圖來源：csharker / Pixabay

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