圖片來源於研究人員
人類直到最近才開始考慮使用氫作為能源，但南極的細菌已經這樣做了10億年。我們研究了南極洲東部凍土中的451種不同種類的細菌，發現它們中的大多數以空氣中的氫為能源生存。透過基因分析，我們還發現這些細菌在大約10億年前從其他大陸的同類中分離出來。
這些不可思議的微生物來自南極洲東部的麥凱冰川以北的無冰沙漠土壤。那裡很少有高等植物或動物生存，幾乎沒有可用的水，溫度低於零度，而且極地的冬天漆黑一片。
儘管生存條件惡劣，微生物依然茁壯成長。一克土壤中可以生存著數百種細菌和數百萬個細胞，共同形成了一個獨特多樣的生態系統。
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那麼微生物群落如何生存在如此惡劣的環境中呢？
光合作用的可靠替代品
我們發現，超過四分之一的這些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，並將其轉化為有機物。這個光合作用的過程產生了地球上大部分的有機碳。
然而，我們發現，含有RuBisCO的細菌中，超過99%的都無法捕獲陽光。取而代之，它們進行的是化學合成過程。它們不需要依靠陽光將二氧化碳轉化為有機物，而是使用無機化合物，如氣體氫、甲烷和一氧化碳。
以空氣為生
細菌在哪裡才能找到這些富含能量的化合物？信不信由你，最可靠的來源是空氣！空氣中含有大量的氮、氧和二氧化碳，但也含有微量的能量來源：氫、甲烷和一氧化碳。
這些氣體僅以非常低的濃度存在於空氣中，但空氣之多，足以提供幾乎無限量的分子為這些生物體所用。
而且很多細菌都可以使用這些氣體。大約1%的南極土壤細菌可以使用甲烷，大約30%的可以使用一氧化碳。更值得注意的是，我們的研究表明，90%的南極土壤細菌可能會以空氣中的氫為食。
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細菌透過化學反應將氫、甲烷、碳與氧結合，從而獲取能量，這個化學反應類似於一種非常緩慢的燃燒。我們的實驗表明，即使在-20°C，細菌也能消耗大氣中的氫，並且可以獲取足夠的能量來滿足它們的所有需求。
此外，氫可以為化學合成提供動力，從而可能提供足夠的有機碳來維持整個細菌群落的生存。其他細菌透過“吃掉”這些氫動力鄰居或者它們產生的富含碳的軟泥，來獲取這種有機碳。
來自稀薄空氣的水
當你燃燒氫，或者當細菌從氫中獲取能量時，唯一的副產品就是水。生產水對南極細菌來說是一個重要的好處。它們生活在極度乾旱的沙漠中，那裡沒有水，因為周圍的冰幾乎永久凍結，而且土壤中的任何水分都會被幹燥、寒冷的空氣迅速吸走。
因此，這種從“稀薄的空氣”中製造水的能力，也許能解釋這些細菌如何在這種環境中生存數百萬年。根據我們的計算，氫動力水的生產率足以在兩週內給整個南極細胞補充水分。透過“氫經濟”，這些細菌滿足了自己對能源、有機物和水合作用的需求，可謂一石三鳥。
氫經濟能維持外星生命嗎？
南極土壤細菌依賴氫的極簡生活方式，重新定義了我們對地球生命最低需求的理解。這也為我們尋找外星生命帶來了新的思路。氫是宇宙中最常見的元素，組成了幾乎四分之三的物質。它是一些地外行星大氣的主要組成部分，例如HD 189733b，它圍繞著一顆距離地球64.5光年的恆星執行。
如果生命存在於這樣一個星球上，那裡的條件可能不像地球的大部分地方那樣適宜，最簡單和最可靠的生存策略可能就是消耗氫了。“跟著水走”是尋找外星生命的口頭禪。但是考慮到細菌可以直接從空氣中製造水，也許找到地球以外生命的關鍵是“追隨氫”。
撰文：Pok Man Leung，莫納什大學微生物學博士研究生；Chris Greening，莫納什大學微生物學副教授；Steven Chown；莫納什大學保護南極環境未來的主任。
翻譯：魏書豪
審校：郭曉
引進來源：theconversation
本文來自：中國數字科技館
