科学家们逐渐意识到，在我们脚下的土壤和岩石中，存在着一个巨大的生物圈，其全球体积几乎是世界海洋总体积的两倍。关于这些地下生物知之甚少，它们代表了地球上大部分的微生物质量，其多样性可能超过了地表生物。它们的存在带来了一个巨大的谜题：研究人员通常认为，许多地下区域是缺氧的死亡地带，只居住着原始微生物，它们代谢缓慢，勉强依靠微量的营养物质生存。人们认为，随着这些资源的枯竭，地下环境必然会随着深度的增加而变得毫无生机。
在上个月发表的《自然通讯》杂志新研究中，研究人员提出了挑战这些假设的证据。在加拿大艾伯塔省化石燃料田地下 200 米的地下水库中，他们发现了大量微生物，即使在没有光照的情况下，它们也能产生出乎意料的大量氧气。研究人员称这些微生物产生并释放了大量的“暗氧”，这就像发现了“亚马逊雨林光合作用产生的氧气规模”，田纳西大学的地下微生物学家Karen Lloyd 说，她没有参与这项研究。从细胞中扩散出来的气体量非常大，似乎为周围地下水和地层中依赖氧气的生命创造了有利条件。
多伦多大学的地球化学家Barbara Sherwood Lollar 说：“这是一项里程碑式的研究”，她也没有参与这项工作。过去的研究通常着眼于可能为地下生命产生氢气和其他一些重要分子的机制，但含氧分子的产生在很大程度上被忽视了，因为这些分子在地下环境中消耗得非常快。她说，到目前为止，“还没有研究像这项研究一样，将所有因素都汇集在一起。”
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这项新研究调查了加拿大艾伯塔省的深层含水层，该省拥有丰富的地下焦油、油砂和碳氢化合物矿藏，因此被誉为“加拿大的德克萨斯州”。由于其庞大的畜牧业和农业严重依赖地下水，省政府积极监测水的酸度和化学成分。然而，没有人系统地研究过地下水微生物学。
对于Emil Ruff 来说，在 2015 年他开始在卡尔加里大学进行微生物学博士后研究时，进行这样的调查似乎是“唾手可得的果实”。他万万没想到，这项看似简单的研究会让他耗费接下来的六年时间。
拥挤的深处
在从艾伯塔省 95 口井中收集地下水后，Ruff 和他的同事开始进行基础显微镜检查：他们用核酸染料对地下水样品中的微生物细胞进行染色，并使用荧光显微镜对其进行计数。通过对样品中的有机物进行放射性年代测定并检查收集样品的深度，研究人员能够确定他们正在开采的地下水含水层的年龄。
数字中的一种模式让他们感到困惑。通常，在海底沉积物调查中，例如，科学家发现微生物细胞的数量随着深度的增加而减少：较老、较深的样品无法维持如此多的生命，因为它们更远离地表附近的光合植物和藻类产生的营养物质。但令 Ruff 团队惊讶的是，较老、较深的地下水比更新鲜的地下水含有更多的细胞。
然后，研究人员开始使用分子工具来识别样品中的微生物，以发现它们特有的标记基因。其中很多是产甲烷古菌——简单的单细胞微生物，它们在消耗掉从岩石中渗出的氢气和碳或腐烂的有机物后产生甲烷。还存在许多以甲烷或水中矿物质为食的细菌。
然而，令人费解的是，许多细菌是需氧菌——需要氧气来消化甲烷和其他化合物的微生物。由于不可能进行光合作用，需氧菌如何在应该没有氧气的地下水中茁壮成长？但化学分析发现，在 200 米深的地下水样品中也存在大量溶解氧。
这是闻所未闻的。“我们肯定把样品搞砸了，”Ruff 最初的反应是这样。
他首先试图证明样品中的溶解氧是处理不当造成的。“这就像当福尔摩斯，”Ruff 说。“你试图找到证据和迹象”来反驳你的假设。然而，溶解氧含量在数百个样品中似乎是一致的。处理不当无法解释这一点。
如果溶解氧不是来自污染，那它来自哪里？Ruff 意识到他正处于重大发现的边缘，尽管提出有争议的主张与他的本性相悖。他的许多合著者也对此表示怀疑：这一发现有可能粉碎我们对地下生态系统理解的基础。
为所有人制造氧气
从理论上讲，地下水中的溶解氧可能源自植物、微生物或地质过程。为了找到答案，研究人员转向了质谱分析，这是一种可以测量原子同位素质量的技术。通常，来自地质来源的氧原子比来自生物来源的氧原子更重。地下水中的氧气很轻，这意味着它一定来自生物实体。最有可能的候选者是微生物。
研究人员对地下水微生物的整个群落进行了基因组测序，并追踪了最有可能产生氧气的生化途径和反应。答案不断指向十多年前Marc Strous（卡尔加里大学的教授，这项新研究的资深作者，也是 Ruff 工作的实验室的负责人）的一项发现。
在 2000 年代后期在荷兰的一个实验室工作时，Strous 注意到一种常在湖泊沉积物和废水污泥中发现的食甲烷细菌有一种奇怪的生活方式。这种细菌没有像其他需氧菌那样从周围环境中吸收氧气，而是通过使用酶分解称为亚硝酸盐（含有由氮原子和两个氧原子组成的化学基团）的可溶性化合物来产生自己的氧气。细菌利用自身产生的氧气来分解甲烷以获取能量。
当微生物以这种方式分解化合物时，这被称为歧化作用。到目前为止，人们认为歧化作用作为一种产生氧气的方法在自然界中很少见。最近涉及人工微生物群落的实验室实验表明，歧化作用产生的氧气会泄漏出细胞并进入周围介质，从而有益于其他依赖氧气的生物，这是一种共生过程。Ruff 认为，这可能是使整个需氧微生物群落能够在地下水中，甚至可能在周围土壤中茁壮成长的原因。
其他地方生命的化学
这一发现填补了我们对庞大的地下生物圈如何进化，以及歧化作用如何促进化合物在全球环境中的循环的理解中的一个关键空白。Ruff 说，地下水中可能存在氧气的可能性“改变了我们对地下过去、现在和未来的理解”，他现在是马萨诸塞州伍兹霍尔海洋生物实验室的助理科学家。
Sherwood Lollar 说，了解我们星球地下存在什么生命对于“将这些知识转移到其他地方也至关重要”。例如，火星土壤中含有高氯酸盐化合物，地球上的一些微生物可以将其转化为氯化物和氧气。木星的卫星木卫二有一个深邃的冰冻海洋；阳光可能无法穿透它，但氧气可能可以通过微生物歧化作用而不是光合作用在那里产生。科学家们观察到从土星卫星土卫二表面喷射出的水蒸气羽流。这些羽流可能起源于液态水的地下海洋。如果我们将来在其他类似的世界中发现生命，它们可能正在利用歧化途径生存。
无论歧化作用在宇宙其他地方变得多么重要，Lloyd 都对新发现如何挑战关于生命需求的先入为主的观念感到震惊，并对他们在地球上最大的生物圈之一方面的科学无知感到震惊。“这就像我们一直以来都出丑了，”她说。
编者注：Ruff 获得了西蒙斯基金会的早期职业研究员资助，该基金会也为Quanta提供支持，使其成为一家编辑上独立的科学新闻杂志。资助决定不影响编辑报道。
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