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氫氣是驅動海底熱泉生物圈的原始能源

文章來源:孫學軍 氫思語發布日期:2021-04-26 15:55瀏覽次數:
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海底熱泉是50年前發現的一種海底風景。令人驚嘆的是,在這個超高壓,幾乎是地球上最神秘的區域,竟然也是豐富的生物圈。這樣一個特殊的生物圈和地球表面上完全不同,地球表面生物的能量來源幾乎都來自植物光合作用產生的化合物化學能,但這里沒有陽光,生物無法進行光合作用。這里的生物竟然是利用氫氣為基礎能源,這里的海水中含有非常高濃度的氫氣,細菌利用這些氫氣產生ATP,并能把二氧化碳固定為有機物如甲烷,這樣不僅能給生物體系提供能量,也能提供構建有機體的有機化合物。
 

海底熱泉的研究提示,地球生命早期就是利用氫氣完成的早期進化。就是說氫氣是地球生命的催化劑。我曾經說水是生命之母,氫氣是生命之父。意思就是這樣!
 

現在人們對這種特殊生態環境的代謝細節仍然不十分了解。這也吸引了許多學者對這一特殊現象的研究。最近有一篇這方面的綜述,重點對氫氣在這一生物圈的地位和相關氫氣代謝的轉錄組和基因組學研究進行了系統介紹,這些研究對于我們深入理解氫氣在整個生命體系中的重要地位,理解氫氣對生命調節的基礎價值,都是十分重要的資料。
 

氫氣是驅動海底熱泉生物圈的原始能源
 

海底熱泉是研究地球上氫氧化微生物的最大寶庫。海底熱泉的一個重要特征是含有超高濃度的氫氣,氫氣的濃度可以達到數毫摩爾(1個大氣壓氫氣溶解度只有1mM)。因為水溫高于周圍海水,造成這里的海水密度相對較低,浮力作用下這些熱海水會慢慢上升,這類似給冷水加熱產生對流的現象。隨著熱海水上升,和周圍海底的含氧氣的冷水產生混合,沿著水流方向附近周圍形成溫度和化學成分的橫向穩定梯度。這些溫度和化學成分驅動不同類型的細菌和古菌定居,這些細菌適應不同的溫度、氧氣濃度和氫氣濃度。在這個系統中,氫氣被氧化為氫離子(質子)釋放的能量是一種重要的無機能源,能提供非常高的能量(237 kJ/mol H2),這種能量可以幫助微生物產生大量ATP,并能幫助自養微生物固定二氧化碳。所以,氫氣氧化微生物在海底熱泉生態系統中具有關鍵地位,因為這是生態系統利用環境能源的入口。因此對海底熱泉利用氫氣的氫氣氧化菌的分離和研究也成為海底熱泉生態系統的重要方向,測定這些細菌消耗氫氣的能力,研究氫化酶基因分布也成為重要研究內容。最近這一領域開始利用宏轉錄組和宏蛋白質組學數據開展氫氣代謝規律的研究。本綜述對這方面的研究進行系統總結,并對海底熱泉新技術進行探討。