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南极细菌以空气为生,以氢气为燃料制造水

人类最近才开始考虑使用氢作为能源,但南极洲的细菌已经使用氢10亿年了。

我们研究了东南极洲冻土中451种不同的细菌,发现大多数细菌是以空气中的氢为燃料生存的。通过基因分析,我们还发现这些细菌与大约10亿年前其他大陆的表亲不同。

这些不可思议的微生物来自南极东部麦凯冰川以北的无冰沙漠土壤。很少有高等植物或动物能在这样的环境中繁衍生息,那里几乎没有可用的水,温度低于零度,极地的冬天漆黑一片。

尽管条件恶劣,微生物仍能茁壮成长。在一克土壤中可以发现数百种细菌和数百万个细胞,形成了独特多样的生态系统。

微生物群落如何在如此恶劣的环境中生存?

光合作用的可靠替代品

我们发现超过四分之一的南极土壤细菌会产生一种叫做RuBisCO的酶,这种酶可以让植物利用阳光从空气中捕获二氧化碳并将其转化为生物量。这一过程,即光合作用,产生了地球上大部分的有机碳。

然而,我们发现超过99%的含RuBisCO的细菌无法捕捉阳光。相反,它们执行一个称为化学合成的过程。

他们使用无机化合物,如氢气、甲烷和一氧化碳,而不是依靠阳光将二氧化碳转化为生物质。

靠空气生活

细菌在哪里找到这些富含能量的化合物?信不信由你,最可靠的来源是空气!

空气中含有大量的氮、氧和二氧化碳,但也含有微量的能源氢、甲烷和一氧化碳。

它们只以很低的浓度存在于空气中,但空气中的这些分子数量如此之多,几乎为能够使用它们的生物体提供了无限量的这些分子。

许多人可以。大约1%的南极土壤细菌可以使用甲烷,大约30%可以使用一氧化碳。

更值得注意的是,我们的研究表明,90%的南极土壤细菌可以清除空气中的氢。

细菌通过一种类似于缓慢燃烧的化学过程将氢、甲烷和碳与氧结合,从而从中获取能量。

我们的实验表明,即使在-20°C的温度下,细菌也会消耗大气中的氢,并且它们可以消耗足够的能量来满足所有的能量需求。

更重要的是,氢可以推动化学合成,从而提供足够的有机碳来维持整个社区。其他细菌可以通过“吃掉”它们的氢动力邻居或它们产生的富含碳的软泥来获取碳。

空气中的水

当你燃烧氢气,或者当细菌从中获取能量时,唯一的副产品就是水。

对南极细菌来说,制造水是一项重要的奖励。他们生活在极度干旱的沙漠中,那里没有水,因为周围的冰几乎被永久冻结,土壤中的任何水分都被干燥的冷空气迅速吸走。

因此,从“稀薄空气”中产生水的能力可以解释这些细菌是如何在这种环境中生存数百万年的。根据我们的计算,氢动力水的生产速度足以在两周内使整个南极细胞重新水化。

通过采用“氢经济”,这些细菌满足了它们对能量、生物量和水合作用的需求。三鸟一石。

氢经济能维持地外生命吗?

南极土壤细菌的极简依赖氢的生活方式重新定义了我们对地球上生命最不需要什么的理解。它还为寻找地外生命带来了新的见解。

氢是宇宙中最常见的元素,几乎占所有物质的四分之三。它是一些外星行星上大气的主要组成部分,例如HD189733B,它围绕一颗离地球64.5光年的恒星运行。

如果有生命存在于这样一个星球上,那里的条件可能不像地球上大部分地方那样宜人,那么消耗氢可能是最简单、最可靠的生存策略。

“跟着水走”是搜寻外星生命的咒语。但鉴于细菌确实可以从空气中制造水,也许在地球之外发现生命的关键是“跟随氢”。

Chris Greening获得了澳大利亚研究委员会、澳大利亚南极科学计划、国家健康与安全委员会的资助;医学研究委员会和威康信托基金。

Steven Chown获得了澳大利亚研究委员会、澳大利亚南极科学计划、国家健康与安全委员会的资助;医学研究委员会和威康信托基金。他是南极研究科学委员会的前任主席。

Pok Man Leung未为任何公司或组织工作、咨询、持有股份或从中获得资金,该公司或组织将从本文中受益,并且未披露其学术任命以外的任何相关关联。