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它们在黑暗中以氢为食

时间:
2021年01月06日 |
作者:
Coyler |
来源:
原理

在一些黑暗的生态系统中,光照的缺乏使得光合作用无法进行。在那样的环境中,生命是由化学能维持的。

化学合成的作用与光合作用所扮演的角色很类似,只是化学合成过程不需要光的参与。一直以来,科学家都希望能够更好地理解来自地球的化学营养物质,是如何为化学合成的生物圈提供燃料的。

最近,一个科学家团队通过从世界各地被冰雪覆盖的栖息地收集到的数据,对微生物在冰盖和冰川之下的生存有了新的见解。他们也认识到这些生物在延续在冰河时代的生命,甚至是在其他星球上那些荒凉环境中延续生命时所扮演的角色。他们的研究结果已发表在近期的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

研究人员分析了从两个地方采集到的沉积物样本,一个来自加拿大亚伯塔的罗伯森冰川,另一个来自于冰岛的Kotlujokull冰川,并研究了水和微生物是如何与冰川下的基岩相互作用的。

在谈起这一研究的灵感来源时,论文的作者Eric Boyd介绍说,一直以来,他们都在这样的冰下环境中发现了由氢气支持的生物的存在。起初他们无法理解,因为他们想象不出冰川下的氢气是从哪里来的。

后来他们发现,通过一系列物理和化学过程,冰川下面富含硅的基岩会被上面重重的冰层磨成微小的矿物颗粒,当这些矿物颗粒与冰川融水结合时,就会释放出氢气。而更令研究人员兴奋的是,冰川下的微生物群落可以将氢气和二氧化碳结合起来,通过化学合成过程产生更多的有机物质(即生物量)。

为了更好地了解这些进行化学合成的微生物具体做了些什么,研究人员将加拿大和冰岛的沉积物样本带回实验室中,培养了发现于沉积物中的活体生物样本。他们想要看看,在实验室环境中,这些生物能否继续生长。

然而在实验操作的过程中,研究人员却面临一个较为棘手的难点:他们感兴趣的微生物是依靠氢气生长的,这些生物大多数都是一些厌氧菌,也就是说当它们与氧气接触时,很有可能就会死亡。

因此在准备实验的过程中,将样本放入瓶中成了实验过程中最关键、也是难度最大的一步。这个过程需要尽可能快地将所有氧气排除出去,如此才能保证目标生物不会被杀死。

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Kotlujokull是冰岛第四大冰川,这里有大量的微生物,它们的生命是由玄武岩基岩风化产生的氢所维持的。| 图片来源:Eric S. Boyd

通过几个月的观察,研究人员不仅发现了这些生物群落在实验室环境中的增长,同时还观察到冰川下的基岩类型对氢气产生的影响,而氢气的产生又反过来影响了那些能更好地适应氢气代谢的微生物群落的存在。

Kotlujokull冰川位于玄武岩基岩之上,而罗伯森冰川下是碳酸盐基岩。结果显示,采集自Kotlujokull冰川的样本所产生的氢气,比采集自罗伯森冰川的样本所产生的的氢气要多得多。

研究人员还发现,当微生物利用氢气来生产能量的同时,它们也从会空气中吸收二氧化碳,以此来进行增殖和生长。这种“固”碳能力是气候调节过程的一个关键步骤,也是这种化学合成与植物光合作用的另一个相似之处。

现如今,冰川和冰原覆盖了全球约10%的陆地,而这个数字比过去的地球要小了一些。研究人员相信,无论是在过去还是现在,微生物的活动可能都对地球的气候产生了重大影响。

据研究人员介绍,科学家们早已知道,生活在冰原或冰川下的微生物具有固碳能力,但却从未真正了解它们是如何做到这一点的。而新的研究工作表明,这些生物不仅可以产生自身“固定”的碳,做到完全的“自给自足”,而且它们还不像其他大多数生物那样需要阳光的帮助。

从这一点我们能获得什么启示呢?天体生物学家一直在寻找可能存在于太阳系或太阳系之外的其他行星上的生命,一个评估某颗星球上是否宜居的关键参数就是水和能源。新的发现表明,可自我维持的微生物群落可以通过产生氢气而在冰冷的环境中蓬勃发展,这对于识别其他行星是否存在潜在的宜居环境是一条关键信息。

我们早已经发现了在其他许多星球上存在冰川的证据,但是我们并不知道那里是否有生命。现在,科学家们或许可以思考,在那些有着与这项研究中所涉及到的基岩类似的行星上,是否存在着生活在冰川下的微生物?新研究的作者认为,答案应该是肯定的。

参考来源:

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

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

封面图来源:csharker  / Pixabay



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