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在一些地下深處的含水層中，微生物利用一種化學(xué)技巧，可以制造出能夠維持整個(gè)地下生態(tài)系統(tǒng)的氧氣。這不僅打破了我們對(duì)地下生態(tài)系統(tǒng)的基本認(rèn)知，還能有助于我們尋找地外生命。
文 | 陳強(qiáng)
科學(xué)家已經(jīng)意識(shí)到，在我們腳下的土壤和巖石中，存在著一個(gè)巨大的生物圈。盡管人們對(duì)這些地下生命知之甚少，但它們占了地球生物總質(zhì)量很大一部分，其多樣性可能超過了地表生命。
不過，科學(xué)家通常假定，地下許多地方都是缺氧的區(qū)域，只有一些原始的微生物能夠保持緩慢的新陳代謝，靠著微量的營養(yǎng)物質(zhì)勉強(qiáng)存活。科學(xué)家還認(rèn)為，隨著深度的增加，營養(yǎng)資源會(huì)越來越稀缺，生命的數(shù)量會(huì)變得越來越少。
然而，最近的一個(gè)發(fā)現(xiàn)推翻了這種看法。在加拿大一處離地表 200 多米的地下水中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了大量的微生物。而且令人意想不到的是，即使在沒有陽光的情況下，這些微生物也能產(chǎn)生大量的氧氣。氧氣如此之多，以至于科學(xué)家都感覺它們像是來自亞馬孫雨林產(chǎn)生的?？茖W(xué)家還認(rèn)為，這些氧氣為地下水和周圍地層中依賴氧氣的生命，創(chuàng)造了有利的生存條件。
深層地下水溶解著大量的氧氣
這項(xiàng)新研究調(diào)查了加拿大艾伯塔省的一處深層含水層。由于那里的畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)嚴(yán)重依賴地下水，當(dāng)?shù)卣畷?huì)積極監(jiān)測水的酸堿度和化學(xué)成分的變化。然而，沒有人系統(tǒng)地研究過地下水中的微生物。
2015 年，當(dāng)時(shí)在加拿大卡爾加里大學(xué)做微生物學(xué)博士后研究的埃米爾?拉夫（Emil Ruff），選擇了對(duì)這個(gè)地區(qū)進(jìn)行調(diào)查。他以為這是“一件易如反掌的事”，但萬萬沒有想到，這個(gè)研究會(huì)讓他在接下來的 6 年里費(fèi)盡心思。
在艾伯塔省的 95 個(gè)井中采集地下水后，拉夫和他的同事開始進(jìn)行了基本的顯微鏡檢查。他們用一種核酸染料對(duì)地下水樣本中的微生物細(xì)胞進(jìn)行染色，并用熒光顯微鏡對(duì)它們進(jìn)行計(jì)數(shù)。通過對(duì)樣本中的有機(jī)物進(jìn)行放射性年代測定，并檢查它們被采集的深度，研究人員能夠確定他們所抽取的地下水含水層形成的年代。
然而，數(shù)據(jù)中的出現(xiàn)的一個(gè)規(guī)律讓他們感到困惑。例如，通常在對(duì)海底沉積物進(jìn)行調(diào)查時(shí)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)微生物細(xì)胞的數(shù)量會(huì)隨著深度的增加而減少。更老、更深的樣本不會(huì)包含太多的生命，因?yàn)樗鼈兣c上面植物和藻類所產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)離得更遠(yuǎn)。但是，令研究人員驚訝的是，在這里，更老、更深的地下水中往往含有更多的微生物細(xì)胞。
拉夫等人隨后對(duì)樣本中的微生物進(jìn)行了識(shí)別，其方法是使用分子工具來發(fā)現(xiàn)它們特有的標(biāo)記基因。結(jié)果顯示，樣本中很多都是產(chǎn)甲烷古菌（methanogenic archaea）—— 一種單細(xì)胞微生物，它們?cè)谙膹膸r石或腐爛有機(jī)物中的氫氣和碳后，會(huì)產(chǎn)生甲烷。他們還發(fā)現(xiàn)了許多以甲烷或水中的礦物質(zhì)為食的細(xì)菌。
然而，不合理的是，許多細(xì)菌是需氧菌（aerobe），它們需要氧氣來消化甲烷和其他化合物。在沒有光合作用的情況下，地下水中應(yīng)該沒有氧氣，那么需氧菌如何在地下水中茁壯成長呢？
研究人員對(duì)其進(jìn)行了化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)在這些來自 200 多米深的地下水樣本中，溶解著大量的氧氣。這是一件聞所未聞的事情?！拔覀兛隙ㄊ桥獕牧藰颖?！”拉夫最初的反應(yīng)是這樣。他首先試圖證明樣本中溶解的氧氣是由于操作不當(dāng)造成的。然而，數(shù)百個(gè)樣本都含有大量的氧氣，操作不當(dāng)似乎無法解釋這一現(xiàn)象。
如果溶解的氧氣不是來自于外部污染，那么它是從哪里來的呢？拉夫意識(shí)到他的研究可能是一項(xiàng)前所未有的重大發(fā)現(xiàn)，這有可能打破我們對(duì)地下生態(tài)系統(tǒng)的基本認(rèn)知。
微生物分解化合物可產(chǎn)生氧氣
理論上，地下水中溶解的氧氣可能來自植物、微生物或地質(zhì)過程。為了找到答案，研究人員使用了質(zhì)譜法，一種可以測量原子同位素質(zhì)量的技術(shù)。通常來說，地質(zhì)過程產(chǎn)生的氧原子比生物產(chǎn)生的氧原子更重。他們發(fā)現(xiàn)，地下水樣本中的氧原子是輕的，這意味著它一定是來自生物。最有可能的候選者是微生物。
研究人員測定了地下水中整個(gè)微生物群落的基因組，并追蹤了最有可能產(chǎn)生氧氣的途徑。答案一直指向了卡爾加里大學(xué)的馬克?斯特勞斯（Marc Strous）之前所發(fā)現(xiàn)的一個(gè)現(xiàn)象。斯特勞斯是這項(xiàng)新研究的高級(jí)作者，也是當(dāng)時(shí)拉夫工作的實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人。
在十多年前，斯特勞斯就發(fā)現(xiàn)，一種常常出現(xiàn)于湖泊沉積物和污水污泥中的細(xì)菌，有著一種特別的生存方式。這種細(xì)菌以甲烷為食，但它不像其他需氧菌那樣從周圍環(huán)境中攝取氧氣，而是利用酶來分解亞硝酸鹽（含有由一個(gè)氮原子和兩個(gè)氧原子組成的化學(xué)基團(tuán)）來為自己產(chǎn)生氧氣。然后，細(xì)菌會(huì)利用自己產(chǎn)生的氧氣消化甲烷以獲取能量。
科學(xué)家曾認(rèn)為，這種分解化合物產(chǎn)生氧氣的方法，在自然界中是很罕見的。然而在 2022 年，一組科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中，通過對(duì)人工微生物群落進(jìn)行檢測后發(fā)現(xiàn)，分解作用產(chǎn)生的氧氣可以從細(xì)胞里釋放出來，并進(jìn)入周圍介質(zhì)中，其他依賴氧氣的生物可以借此生存。拉夫認(rèn)為，這可能就是需氧微生物群落在地下水中，以及周圍土層中茁壯成長的原因。
這個(gè)發(fā)現(xiàn)有助于尋找地外生命
這一發(fā)現(xiàn)，不僅揭示了分解作用如何參與生物圈中物質(zhì)的循環(huán)，它還能幫助我們理解地下生物圈是如何演化的。僅僅是地下水富含氧氣的可能性，“就改變了我們對(duì)地下過去、現(xiàn)在和未來的理解?！崩蛘f道。
此外，了解我們星球地表下存在著什么樣的生命，還能有助于我們尋找地外生命。例如，木衛(wèi)二和土衛(wèi)二的厚厚的冰層之下，可能存在著液態(tài)水構(gòu)成的海洋，陽光可能無法穿透到那里，但氧氣可能由那里的微生物的分解作用產(chǎn)生。如果我們有一天在像這樣的星球發(fā)現(xiàn)了生命，它們很可能就是靠著分解作用產(chǎn)生氧氣而生存下來的。
參考文獻(xiàn)：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-38523-4
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