從深海到大氣，細菌如何為地球降溫？

大家或許都聽說過溫室氣體，比如二氧化碳、甲烷和一氧化二氮（N?O，俗稱笑氣）。這些氣體在大氣中累積，會導致氣溫上升，甚至影響我們周圍的自然環(huán)境。

在這個現(xiàn)代社會中，全球變暖、氣候變化，已經(jīng)成為了我們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾h題。

一氧化二氮（Nitrous oxide或Dinitrogen oxide），又稱之為**“笑氣”，化學式為N2O**。它有個更好玩的俗稱，叫做“笑氣”，聽名字可能讓人覺得有點搞笑，但它卻是一個非常強大的溫室氣體。它不僅能加劇全球變暖，還有能力破壞臭氧層。盡管它的濃度并不高，但其溫室效應比二氧化碳強得多?？茖W家們正致力于找到減少笑氣排放的有效方法。

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位于大西洋海洋中脊的深海熱泉“黑煙囪”。這種熱泉通常位于海底火山活動區(qū)域，熱水噴發(fā)帶有豐富的礦物質(zhì)，形成獨特的“黑煙”現(xiàn)象。圖中的熱泉位于深海熱液噴口區(qū)域，周圍環(huán)境復雜，常常吸引多種深海生物如管蟲和螃蟹棲息在此。圖源：NOAA?
而最近，科學家們在深海熱泉中發(fā)現(xiàn)了一類神奇的細菌，它們不僅能夠生活在極端的環(huán)境中，還能夠有效地減少笑氣的排放。這一發(fā)現(xiàn)為我們解決環(huán)境問題提供了新的希望。

讓我們從笑氣說起。笑氣是一種氣體，雖然它的名字聽起來有點兒輕松，但它的危害可不容小覷。笑氣在地球大氣中的濃度雖然遠低于二氧化碳，但它的溫室效應是二氧化碳的273倍。也就是說，即使笑氣的數(shù)量少，但它對地球氣溫的影響卻非常大。

另外，笑氣還會破壞臭氧層，使得紫外線變得更加強烈，影響我們生物的生存環(huán)境。

笑氣的排放源有很多，其中農(nóng)業(yè)和工業(yè)排放是主要的來源。農(nóng)業(yè)使用化肥時，土壤中的微生物會把氮轉(zhuǎn)化為笑氣。在海洋和深海中，微生物的活動同樣會導致笑氣的產(chǎn)生。

所以，科學家們一直在尋找方法，如何將這些有害的笑氣轉(zhuǎn)化為無害的氣體，減少它對環(huán)境的危害。

??位于大西洋中脊洛伽奇夫熱泉區(qū)的“燭臺”黑煙囪，水深約3300米。這種黑煙囪是深海熱泉的一種特殊形式，噴發(fā)出富含礦物質(zhì)的熱水，形成黑色煙霧，周圍的生物群落常因熱泉的化學物質(zhì)和溫暖的環(huán)境而繁榮生長。來源：MARUM ? Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universit?t Bremen（CC BY-SA 4.0）??你可能會想，既然笑氣這么可怕，為什么不能簡單地把它抓起來處理掉呢？

其實，笑氣的減少并不是一件簡單的事情。我們知道，笑氣是通過微生物的代謝過程生成的，而微生物的種類繁多，每種微生物在不同環(huán)境下有不同的行為。

特別是在深海熱泉這樣的極端環(huán)境中，微生物的行為更加復雜。

深海熱泉是海底的一種特殊環(huán)境，水溫非常高，甚至可以超過100攝氏度，而且水中充滿了化學物質(zhì)。在這種極端環(huán)境中，依然有很多微生物能夠繁衍生息，它們通過不同的方式獲取能量，維持生命。這些微生物的生活方式，常常是科學家們研究的重點。

2024年12月的一篇最新研究顯示，科學家們在日本的沖繩海溝發(fā)現(xiàn)了一種來自深海熱泉的細菌，它的名字叫做Nitrosophilus labii HRV44T。

Tsuchiya, Jiro, et al. 圖

這是一種非常特殊的細菌，它生活在高溫、無氧的環(huán)境中，甚至可以把笑氣轉(zhuǎn)化為氮氣。這項發(fā)現(xiàn)對于解決全球變暖問題，尤其是減少笑氣的排放，提供了新的希望。要知道，笑氣轉(zhuǎn)化為氮氣的過程，是地球上唯一自然發(fā)生的笑氣消除過程。如果能夠找到更多能夠進行這種轉(zhuǎn)化的微生物，或許就能為減少溫室氣體排放找到一條可行的道路。

那這項研究，究竟是怎么進行的呢？

首先，研究人員想了解Nitrosophilus labii HRV44T是如何在深海熱泉中生活的。為了研究它們?nèi)绾螠p少笑氣，科學家們對這種細菌進行了詳細的分析。他們使用了轉(zhuǎn)錄組分析和蛋白質(zhì)組分析的方法。這兩種技術(shù)可以幫助科學家了解細菌在不同環(huán)境下基因的表達情況，也就是細菌的“基因活躍情況”。這就像是給細菌做了一次全面的體檢，看看它們在笑氣存在時的“反應”是什么。

通過實驗，科學家們發(fā)現(xiàn)，Nitrosophilus labii HRV44T在沒有笑氣的情況下，某些與反硝化過程相關(guān)的基因已經(jīng)在“默默工作”了。

反硝化作用是微生物的一種生物化學過程，它通過將氮化合物還原成氮氣，來獲得所需的能量。而對于Nitrosophilus labii HRV44T來說，這個過程的關(guān)鍵就在于笑氣的還原。

簡而言之，當笑氣進入這個細菌的體內(nèi)時，它會通過一系列的反應，將笑氣轉(zhuǎn)化為無害的氮氣。這是一個非常重要的過程，因為它不僅有助于減少大氣中的笑氣，還能為深海熱泉的生態(tài)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的能量來源。

不過，事情并沒有這么簡單?？茖W家們發(fā)現(xiàn)，在實驗過程中，Nitrosophilus labii HRV44T并不是****通過直接增加與笑氣還原相關(guān)的基因表達來減少笑氣的。而是通過調(diào)節(jié)細胞內(nèi)部的電子傳遞系統(tǒng)來提高笑氣還原的效率。電子傳遞系統(tǒng)就像是細胞的“電路板”，通過傳遞電子來維持細胞的能量平衡?？茖W家們注意到，在笑氣的存在下，Nitrosophilus labii HRV44T的電子傳遞系統(tǒng)會發(fā)生改變，從而提高其還原笑氣的能力。

不僅如此，研究人員還發(fā)現(xiàn)，Nitrosophilus labii HRV44T的基因表達是由一類特殊的轉(zhuǎn)錄因子來調(diào)節(jié)的。轉(zhuǎn)錄因子就像是細胞的“指揮官”，負責指揮基因的開關(guān)。在這項研究中，科學家們發(fā)現(xiàn)了一類叫做Crp/Fnr的轉(zhuǎn)錄因子，它在細菌對笑氣的反應中起著非常重要的作用。通過分析，科學家們發(fā)現(xiàn)這些轉(zhuǎn)錄因子能夠調(diào)控與笑氣還原相關(guān)的基因表達，進一步優(yōu)化笑氣的還原過程。這項發(fā)現(xiàn)對我們了解細菌如何應對笑氣，提供了新的線索。

這個研究的結(jié)果非常有意義。為什么呢？因為首先，它幫助我們更好地理解了深海熱泉中微生物如何在極端環(huán)境下生活和工作。Nitrosophilus labii HRV44T能夠在高溫、無氧的環(huán)境中繁衍生息，并且通過高效的笑氣還原過程，幫助減少環(huán)境中的溫室氣體。這一過程不僅對減少笑氣排放有幫助，也有助于保護深海熱泉的生態(tài)系統(tǒng)。

而且，這項研究也為未來的氣候變化應對提供了新的思路。雖然笑氣的排放是一個全球性的問題，但如果我們能夠找到更多像Nitrosophilus labii HRV44T這樣的微生物，并通過生物技術(shù)手段來提高它們的活性，那么，就有可能為減少笑氣排放提供一種可行的解決方案了。未來，隨著基因工程和微生物培養(yǎng)技術(shù)的進步，或許科學家們可以培育出更加高效的笑氣“清除工”，讓這些細菌成為應對氣候變化的重要武器。

這項研究還為我們探索地球上其他極端環(huán)境中的微生物提供了新的啟示。深海熱泉是地球上最極端的環(huán)境之一，但是在“亞歷山大”的情況下，細菌們在這里生存并繁衍生息，發(fā)揮著巨大的生態(tài)作用?？茖W家們通過研究這些微生物，或許能發(fā)現(xiàn)更多能夠幫助我們解決環(huán)境問題的生物資源。未來，微生物學可能會成為氣候變化應對策略中的一個重要方向。

微生物的奇妙能力，再一次證明了自然界的偉大與神秘。這項關(guān)于深海熱泉細菌的研究，不僅為我們提供了新的思路，幫助我們理解了笑氣還原的過程，還為氣候變化應對提供了新的解決方案。在不久的將來，人類或許能通過這些微生物，找到更多應對氣候變化的有效方法，來幫著應對氣候變化。

資訊源 | iScience
編譯 | 王海詩（Amphitrite Wong）編輯 | LindaWong
排版 | 綠葉參考資料略