科學家們逐漸意識到，在我們腳下的土壤和岩石中，存在著一個巨大的生物圈，其全球體積幾乎是世界海洋總體積的兩倍。關於這些地下生物知之甚少，它們代表了地球上大部分的微生物質量，其多樣性可能超過了地表生物。它們的存在帶來了一個巨大的謎題：研究人員通常認為，許多地下區域是缺氧的死亡地帶，只居住著原始微生物，它們代謝緩慢，勉強依靠微量的營養物質生存。人們認為，隨著這些資源的枯竭，地下環境必然會隨著深度的增加而變得毫無生機。
在上個月發表的《自然通訊》雜誌新研究中，研究人員提出了挑戰這些假設的證據。在加拿大艾伯塔省化石燃料田地下 200 米的地下水庫中，他們發現了大量微生物，即使在沒有光照的情況下，它們也能產生出乎意料的大量氧氣。研究人員稱這些微生物產生並釋放了大量的“暗氧”，這就像發現了“亞馬遜雨林光合作用產生的氧氣規模”，田納西大學的地下微生物學家Karen Lloyd 說，她沒有參與這項研究。從細胞中擴散出來的氣體量非常大，似乎為周圍地下水和地層中依賴氧氣的生命創造了有利條件。
多倫多大學的地球化學家Barbara Sherwood Lollar 說：“這是一項里程碑式的研究”，她也沒有參與這項工作。過去的研究通常著眼於可能為地下生命產生氫氣和其他一些重要分子的機制，但含氧分子的產生在很大程度上被忽視了，因為這些分子在地下環境中消耗得非常快。她說，到目前為止，“還沒有研究像這項研究一樣，將所有因素都彙集在一起。”
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這項新研究調查了加拿大艾伯塔省的深層含水層，該省擁有豐富的地下焦油、油砂和碳氫化合物礦藏，因此被譽為“加拿大的德克薩斯州”。由於其龐大的畜牧業和農業嚴重依賴地下水，省政府積極監測水的酸度和化學成分。然而，沒有人系統地研究過地下水微生物學。
對於Emil Ruff 來說，在 2015 年他開始在卡爾加里大學進行微生物學博士後研究時，進行這樣的調查似乎是“唾手可得的果實”。他萬萬沒想到，這項看似簡單的研究會讓他耗費接下來的六年時間。
擁擠的深處
在從艾伯塔省 95 口井中收集地下水後，Ruff 和他的同事開始進行基礎顯微鏡檢查：他們用核酸染料對地下水樣品中的微生物細胞進行染色，並使用熒光顯微鏡對其進行計數。透過對樣品中的有機物進行放射性年代測定並檢查收集樣品的深度，研究人員能夠確定他們正在開採的地下水含水層的年齡。
數字中的一種模式讓他們感到困惑。通常，在海底沉積物調查中，例如，科學家發現微生物細胞的數量隨著深度的增加而減少：較老、較深的樣品無法維持如此多的生命，因為它們更遠離地表附近的光合植物和藻類產生的營養物質。但令 Ruff 團隊驚訝的是，較老、較深的地下水比更新鮮的地下水含有更多的細胞。
然後，研究人員開始使用分子工具來識別樣品中的微生物，以發現它們特有的標記基因。其中很多是產甲烷古菌——簡單的單細胞微生物，它們在消耗掉從岩石中滲出的氫氣和碳或腐爛的有機物後產生甲烷。還存在許多以甲烷或水中礦物質為食的細菌。
然而，令人費解的是，許多細菌是需氧菌——需要氧氣來消化甲烷和其他化合物的微生物。由於不可能進行光合作用，需氧菌如何在應該沒有氧氣的地下水中茁壯成長？但化學分析發現，在 200 米深的地下水樣品中也存在大量溶解氧。
這是聞所未聞的。“我們肯定把樣品搞砸了，”Ruff 最初的反應是這樣。
他首先試圖證明樣品中的溶解氧是處理不當造成的。“這就像當福爾摩斯，”Ruff 說。“你試圖找到證據和跡象”來反駁你的假設。然而，溶解氧含量在數百個樣品中似乎是一致的。處理不當無法解釋這一點。
如果溶解氧不是來自汙染，那它來自哪裡？Ruff 意識到他正處於重大發現的邊緣，儘管提出有爭議的主張與他的本性相悖。他的許多合著者也對此表示懷疑：這一發現有可能粉碎我們對地下生態系統理解的基礎。
為所有人制造氧氣
從理論上講，地下水中的溶解氧可能源自植物、微生物或地質過程。為了找到答案，研究人員轉向了質譜分析，這是一種可以測量原子同位素質量的技術。通常，來自地質來源的氧原子比來自生物來源的氧原子更重。地下水中的氧氣很輕，這意味著它一定來自生物實體。最有可能的候選者是微生物。
研究人員對地下水微生物的整個群落進行了基因組測序，並追蹤了最有可能產生氧氣的生化途徑和反應。答案不斷指向十多年前Marc Strous（卡爾加里大學的教授，這項新研究的資深作者，也是 Ruff 工作的實驗室的負責人）的一項發現。
在 2000 年代後期在荷蘭的一個實驗室工作時，Strous 注意到一種常在湖泊沉積物和廢水汙泥中發現的食甲烷細菌有一種奇怪的生活方式。這種細菌沒有像其他需氧菌那樣從周圍環境中吸收氧氣，而是透過使用酶分解稱為亞硝酸鹽（含有由氮原子和兩個氧原子組成的化學基團）的可溶性化合物來產生自己的氧氣。細菌利用自身產生的氧氣來分解甲烷以獲取能量。
當微生物以這種方式分解化合物時，這被稱為歧化作用。到目前為止，人們認為歧化作用作為一種產生氧氣的方法在自然界中很少見。最近涉及人工微生物群落的實驗室實驗表明，歧化作用產生的氧氣會洩漏出細胞並進入周圍介質，從而有益於其他依賴氧氣的生物，這是一種共生過程。Ruff 認為，這可能是使整個需氧微生物群落能夠在地下水中，甚至可能在周圍土壤中茁壯成長的原因。
其他地方生命的化學
這一發現填補了我們對龐大的地下生物圈如何進化，以及歧化作用如何促進化合物在全球環境中的迴圈的理解中的一個關鍵空白。Ruff 說，地下水中可能存在氧氣的可能性“改變了我們對地下過去、現在和未來的理解”，他現在是馬薩諸塞州伍茲霍爾海洋生物實驗室的助理科學家。
Sherwood Lollar 說，瞭解我們星球地下存在什麼生命對於“將這些知識轉移到其他地方也至關重要”。例如，火星土壤中含有高氯酸鹽化合物，地球上的一些微生物可以將其轉化為氯化物和氧氣。木星的衛星木衛二有一個深邃的冰凍海洋；陽光可能無法穿透它，但氧氣可能可以透過微生物歧化作用而不是光合作用在那裡產生。科學家們觀察到從土星衛星土衛二表面噴射出的水蒸氣羽流。這些羽流可能起源於液態水的地下海洋。如果我們將來在其他類似的世界中發現生命，它們可能正在利用歧化途徑生存。
無論歧化作用在宇宙其他地方變得多麼重要，Lloyd 都對新發現如何挑戰關於生命需求的先入為主的觀念感到震驚，並對他們在地球上最大的生物圈之一方面的科學無知感到震驚。“這就像我們一直以來都出醜了，”她說。
編者注：Ruff 獲得了西蒙斯基金會的早期職業研究員資助，該基金會也為Quanta提供支援，使其成為一家編輯上獨立的科學新聞雜誌。資助決定不影響編輯報道。
經量子雜誌許可轉載，量子雜誌是西蒙斯基金會旗下在編輯上獨立的出版物，其使命是透過報道數學、物理和生命科學領域的研究進展和趨勢，增進公眾對科學的理解。閱讀此處的原始文章。