即使没有阳光，地下生命也能制造氧气

在一些地下深处的含水层中，微生物利用化学技巧来产生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识，也有助于我们寻找外星生命。

文|陈强

科学家们意识到，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，但它们占地球生物总量的很大一部分，并且在多样性上可能超过地表生命。

然而，科学家通常认为地下很多地方都是缺氧区，只有一些原始微生物能够维持缓慢的新陈代谢，仅靠微量的营养物质勉强生存。 科学家还认为，随着深度的增加，营养资源会越来越稀缺，生命的数量也会越来越少。

然而，最近的一项发现推翻了这一信念。 在加拿大距地表200多米的地下水中，科学家发现了大量微生物。 令人惊讶的是，即使在没有阳光的情况下，微生物也能够产生大量的氧气。 这里的氧气含量如此之多，科学家们觉得它来自亚马逊雨林。 科学家还认为，这种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条件。

深层地下水含有大量溶解氧

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

2015年，时任加拿大卡尔加里大学微网生物学博士后的埃米尔拉夫（Emil Ruff）选择研究这一领域。 他认为这是“一件容易做网的事情”，但他万万没有想到，这项研究让他在接下来的6年里一直在努力。

在从艾伯塔省的 95 口井中采集地下水样本后，Raff 和他的同事开始使用基本的显微镜技术。 他们用核酸染料对地下水样本中的微生物细胞进行染色，并使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测年并检查样本收集的深度，研究人员能够确定他们抽取的地下水含水层的形成年龄。

然而，数据中出现的一种模式让他们感到困惑。 例如，通常在调查海底沉积物时，科学家发现微生物细胞的数量随着深度的增加而减少。 较古老、较深的样本不含有太多生命，因为它们进一步远离了上面植物和藻类产生的营养物质。 但是，令研究人员惊讶的是，这里更古老、更深的地下水往往含有更多的微生物细胞。

拉夫等人。 然后使用分子工具发现样本中独特的标记基因来识别样本中的微生物。 事实证明，许多样本都是产甲烷古菌（）——一种单细胞微生物，它们在消耗岩石或腐烂有机物中的氢和碳后产生甲烷。 他们还发现许多以水中的甲烷或矿物质为食的细菌。

然而，不合理的是，许多细菌都是需氧菌，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，那么好氧细菌如何在地下水中繁衍生息呢？

研究人员进行了化学分析，发现这些来自200多米深处的地下水样本中，存在大量的溶解氧。 这是闻所未闻的事情。 “我们肯定弄乱了样品！” 这是拉夫的第一反应。 他首先试图证明样品中的溶解氧是由于处理不当造成的。 然而，数百个样本均含有大量氧气，这似乎无法用处理不当来解释。

如果溶解氧不是来自外部污染，那么它从哪里来呢？ 拉夫意识到，他的研究可能是一项前所未有的重大发现，可能会颠覆我们对地下生态系统的基本理解。

微生物分解化合物产生氧气

理论上，地下水中的溶解氧可能来自植物、微生物或地质过程网。 为了找到答案，研究人员使用了质谱分析法，这是一种测量原子同位素质量的技术。 一般来说，地质过程产生的氧原子比生物产生的氧原子重。 他们发现地下水样本中的氧原子很轻，这意味着它一定来自活的生物体。 最有可能的候选者是微生物。

研究人员对地下水中整个微生物群落的基因组进行了测序，并追踪了最有可能产生氧气的途径。 答案指向卡尔加里大学的马克施特劳斯之前发现的一个现象。 这项新研究的资深作者施特劳斯也是拉夫当时工作的实验室的负责人。

十多年前，施特劳斯发现，一种常见于湖泊沉积物和污水污泥中的细菌具有特殊的生活方式。 这种细菌以甲烷为食，但它不像其他需氧细菌那样从周围环境中吸收氧气，而是利用酶分解亚硝酸盐（由一个氮原子和两个氧原子组成的化学基团）来为自身产生氧气。 然后细菌利用它们产生的氧气来消化甲烷以获取能量。

科学家曾经认为这种分解化合物产生氧气的方法在自然界中很少见。 然而，在2022年，一组科学家在实验室对人造微生物群落进行了测试，发现分解产生的氧气可以从细胞中释放出来，进入周围的介质中，从而使其他依赖氧的生物体得以生存。 。 拉夫认为这可能就是好氧微生物群落在地下水以及周围土壤中繁衍生息的原因。

这一发现可能有助于寻找外星生命

这一发现不仅揭示了分解如何参与生物圈中物质的循环，而且还有助于我们了解地下生物圈是如何演化的。 拉夫说，地下水富含氧气的可能性“改变了我们对地下过去、现在和未来的理解”。

此外，了解地球表面以下存在什么样的生命也可以帮助我们寻找外星生命。 例如，在木卫二和土卫二的厚冰层下，可能存在液态水海洋，阳光可能无法穿透，但那里的微生物分解可能会产生氧气。 如果我们在这样的世界上发现生命，它们很可能通过分解产生氧气而生存。

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