出品：科普中國
作者：楊昌佳漣（中國科學院微生物研究所）
監制：中國科普博覽
編者按：為解碼生命科學最新奧秘，科普中國前沿科技項目推出“生命新知”系列文章，從獨特的視角，解讀生命現象，揭示生物奧秘。讓我們深入生命世界，探索無限可能。
在1977年，科學家卡爾·烏斯（Carl Woese）通過分析生物序列，意外地發現了一個新生命域——古菌（Archaea），就像在已知的生物家譜上新添了一位神秘的成員。
盡管這些微生物在形態上與細菌相似，沒有細胞核，但它們的遺傳和生化特征表明，它們與真核生物（如植物、動物）更為接近。這個發現不僅顛覆了我們對生命進化的認知，也開啟了科學家對微生物世界的新探索。
生命三域系統
（圖片來源：參考文獻4）
產甲烷古菌：地球碳循環的無名“英雄”
在所有古菌中，產甲烷古菌（Methanogens）是最引人注目的一類。它們是地球上起源最早的原核微生物之一，能在無氧環境中將有機物降解為甲烷，俗稱“沼氣發酵”。這種獨特的代謝方式使它們成為全球甲烷排放的主要“貢獻”者。
傳統觀點認為，產甲烷古菌主要隸屬于古菌域的廣古菌門（Euryarchaeota），但近年來的研究發現，其他古菌分支也具備甲烷生成潛力。
科學家在自然界中發現了許多非廣古菌門的產甲烷古菌，這些新型古菌不僅能產生甲烷，還可能參與發酵和硫代謝等多種代謝途徑，使得它們在全球碳循環中的角色更加復雜和多樣化。
甲烷生成：從簡單分子到溫室氣體
甲烷（CH4）是一種簡單但重要的有機分子，由一個碳原子和四個氫原子組成。盡管它在大氣中的濃度遠低于二氧化碳，但其全球變暖潛能值（GWP）（是衡量溫室氣體對全球變暖影響的一種指標）卻是二氧化碳的30倍，甚至在20年尺度下可以達到84-87倍。
甲烷的產生主要依賴于產甲烷古菌，它們能夠在無氧環境下，將有機物（如二氧化碳、氫氣、甲酸鹽、乙酸鹽等）轉化為甲烷。這個過程就像一個微型化工廠，涉及一系列復雜的生化反應，其中關鍵步驟是由甲基輔酶M還原酶（Mcr）復合物催化的。
溫室效應圖
（圖片來源：參考文獻1）
非廣古菌門的甲烷生成新發現
盡管人們普遍認為只有廣古菌門能夠生成甲烷，但最近的元基因組研究挑戰了這一觀點。在多個非廣古菌門中，科學家發現了編碼Mcr復合物的基因，表明這些古菌也具有甲烷生成潛力。
盡管基因組分析顯示了這些古菌的潛在甲烷生成能力，但由于缺乏純培養物，無法深入研究其代謝機制和生態功能。這些古菌一直處于“暗物質”狀態，無法通過實驗驗證其實際的甲烷生成能力。
中國農業農村部成都沼氣科學研究所的研究團隊與荷蘭瓦赫寧根大學合作，歷時7年，通過雞尾酒分離法（通過提供多樣化的生長條件，幫助從復雜的環境樣本中篩選和分離出特定的微生物種類，類似于在一杯“雞尾酒”中加入各種配料，以找到最適合的成分組合，從而成功培養目標微生物），成功從油田中分離培養出一種新型產甲烷古菌——Methanosuratincola petrocarbonis LWZ-6。
這是人類首次從非廣古菌門中獲得純培養物，為研究這些古菌的碳代謝機制和生態功能提供了寶貴的實驗材料。
LWZ-6是一種嗜熱古菌，隸屬于熱蛋白菌門的Methanosuratincolia類。LWZ-6菌株僅以甲醇和單甲胺為電子受體（接受從其他分子傳遞來的電子，并通過氧化還原反應產生能量），氫為電子供體生成甲烷，而不具備發酵糖、肽或氨基酸的能力。這一發現猶如一把鑰匙，解鎖了我們對甲烷生成途徑的新理解，也揭示了非廣古菌門在全球甲烷排放和碳循環中的重要性。
LWZ-6菌株的代謝途徑
（圖片來源：參考文獻2）
甲烷的環境影響和應對策略
作為一種強效溫室氣體，甲烷對全球變暖的影響不容小覷。自工業革命以來，大氣中的甲烷濃度已經增加了2.5倍。據預測，如果不采取有效措施，到2100年，甲烷排放將導致全球溫度上升0.5℃。
為應對甲烷排放的氣候挑戰，我們提出了一系列減排策略。例如，在農業領域，改善稻田的水資源管理、優化牲畜飼養方法以及調整飲食結構等措施，均有助于減少甲烷排放；在工業領域，利用產甲烷古菌降解廢水中的有機物，并捕獲燃料獲取過程中釋放的甲烷，也是有效的減排手段。
甲烷循環圖
（圖片來源：參考文獻3）
結語
產甲烷古菌是地球上最古老、最重要的微生物之一，它們不僅在地球早期環境的形成過程中扮演了關鍵角色，還在現代碳循環和氣候變化中發揮著重要作用。通過深入研究這些古菌，科學家們能夠更好地理解地球碳循環的復雜機制，并制定更加有效的甲烷減排策略，為應對全球氣候變化提供科學依據。
Methanosuratincola petrocarbonis LWZ-6的發現標志著古菌研究的一個重大突破，揭示了非廣古菌門在甲烷生成中的重要性。未來，隨著技術的進步和研究的深入，我們有望進一步揭開更多古菌的神秘面紗，探索它們在地球生態系統中的獨特角色。
參考文獻：
1.Fady Jameel. Not just hot air
2.Wu, K., Zhou, L., Tahon, G. et al. Isolation of a methyl-reducing methanogen outside the Euryarchaeota. Nature (2024).
3.Kanika Khanna, How Methanogenic Archaea Contribute to Climate Change, May 6, 2022
4.Woese CR, Kandler O, Wheelis ML. Towards a natural system of organisms: proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya. Proc Natl Acad Sci U S A. 1990;87(12):4576-4579.
（注：文中拉丁文部分應為斜體）
下一篇：返回列表
【免責聲明】本文轉載自網絡，與科技網無關。科技網站對文中陳述、觀點判斷保持中立，不對所包含內容的準確性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保證。請讀者僅作參考，并請自行承擔全部責任。