即使没有阳光，地下生命也能制造氧气

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