南極發現神奇微生物,利用氫氣制造水,那外星生命是否也會如此?

氫氣在燃燒時,不會排放污染物或溫室氣體,被許多人視為未來的清潔能源、可持續能源,因此氫能也成為近十年來替代化石燃料各種研究的主題之一。雖然我們距離完善基于氫的能源還很遠,但一項新研究發現,埋藏在南極洲冰結構中的微生物早已使用氫氣為燃料,而且它們這樣做已長達了10億年。

我們都知道,南極是世界上最寒冷的地方,有寒極之稱。氣溫有多低就不用說了,而且這里沒有四季之分,只有暖季和寒季之別。加上一年時間里有大半年刮強風、沒有陽光照射,以及強烈的紫外線輻射和沒有淡水等等。科學家不敢想象這樣極端惡劣的環境中會有生命可以生存。

然而,大自然最善于做的事就是打破你的常識。澳大利亞的研究團隊幾年前就在南極洲東部麥凱冰川以北的無冰沙漠土壤發現存在微生物群落。盡管條件惡劣,但微生物仍然茁壯成長。在1克的土壤中存在數以百計的細菌種類與數百萬個其他細胞生物,形成一個獨特的和多樣化的生態系統。

沒有光合作用、沒有淡水,土壤貧瘠到不能再貧瘠了,它們究竟是怎麼存活下來的呢?

澳大利亞蒙納士大學的研究團隊研究了南極洲東部凍土中的451 種不同種類的細菌,經過一系列分析,發現它們中的大多數以空氣中的氫氣為燃料而生存。而且通過對細菌的基因檢測還表明,這些細菌是大約10億年前與其他大陸各種類型的表親分化而來的產物。

數據顯示,有超過25%的南極土壤細菌會產生一種叫做 RuBisCO 的酶。這種酶可以讓植物利用陽光從空氣中捕獲二氧化碳并將其轉化為生物質,這個過程被稱為光合作用,產生了地球上大部分的有機碳。但奇怪的是,超過 99% 的含有 RuBisCO 的細菌無法捕獲陽光,取而代之的是,它們通過化學合成無機化合物,如氫氣、甲烷和一氧化碳。

那這些細菌從哪里找到這些富含能量的化合物?——空氣!

空氣中含有大量的氮、氧和二氧化碳,但也含有微量的氫、甲烷和一氧化碳。它們僅以非常低的濃度存在于空氣中,但空氣如此之多,它為可以使用它們的生物體提供了幾乎無限的這些分子供應。其中大約 1% 的南極土壤細菌可以吃掉甲烷,大約 30% 可以吃掉一氧化碳。90%的南極土壤細菌可能會吃掉氫氣——實驗表明,即使在 -20°C 的溫度下,細菌也會消耗大氣中的氫氣,并且它們可以消耗足夠的能量來滿足它們的所有能量需求。

當這些細菌吃掉氫氣會發生什麼呢?——水!

造水對南極細菌來說是一個重要的獎勵,它們生活在極度干旱的沙漠中,那里沒有水,因為周圍的冰幾乎永久凍結,土壤中的任何水分都會被干燥、寒冷的空氣迅速吸走。因此,從「稀薄的空氣」中產生水的能力可以解釋這些細菌如何能夠在這種環境中存在數百萬年。根據團隊的計算,它們可以在短短兩周內生產整個南極微生物群落所需的水分。

南極土壤細菌依賴氫的生活方式,重新定義了我們對地球上生命最不需要的東西的理解,它還為尋找外星生命帶來了新的見解。

毫無疑問,氧氣大氣有利于生命——畢竟,這是我們在地球上呼吸的空氣。但氧氣在宇宙中并不常見。它約占宇宙質量的 0.1%。更常見的是氫氣 (92%) 和氦氣 (7%)。主導太陽系的行星是木星,它的大氣層是 90% 的氫和 10% 的氦,只有微量的其他元素。像地球這樣的巖石行星,大氣中沒有氫和氦,只是恒星系統的一小部分。由于宇宙中氫和氦占主導地位,因此了解由這些元素組成的大氣層是否可以支持生命存在將非常有用。

而氫是所有分子中最輕的,很容易逃逸到太空。一顆巖石行星要想擁有足夠強大的引力以保持在氫大氣中,它必須是一個質量大約是地球的2到10倍的「超級地球」。如果生命存在于這樣一個星球上,那里的條件可能不像地球上的大部分地區那樣好客,那麼消耗氫氣可能是最簡單、最可靠的生存策略。

因此既然地球生命可以利用氫制造水進行生存,那麼外星生命也應該可以。當我們研究其他行星時,我們不應該限制我們認為有趣的東西,也不應該過于以地球為中心。「跟著水走」是尋找外星生命的口頭禪。但鑒于細菌確實可以從空氣中制造水,或許在地球之外尋找生命的關鍵是「跟隨氫氣」。


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