地球生物学：铁、硫、热能——与原始生命

地球上所有生命最可能的共同祖先偏好温暖环境、依赖氢气生存并产生甲烷。慕尼黑大学研究人员基于化石证据和通过基因分析进行的代谢重建得出了这一结论。这种相对简单的原始乙酰辅酶A代谢途径至今仍存在于许多微生物中。

为探究地球最早生命体的代谢特征，由地球与环境科学系William Orsi教授领导的慕尼黑大学研究团队在实验室模拟了约40亿至36亿年前年轻地球的环境条件。这些条件与现今海底热液喷口（即"黑烟囱"）的环境存在相似性，关键区别在于远古海洋中富含溶解态铁元素。

无营养条件下的强劲生长

研究人员在实验中构建了微型"黑烟囱"。如同海底自然发生的过程，高温下铁硫地球化学反应持续进行，形成麦基纳维特矿（FeS）和灰硫铁矿（Fe₃S₄）等硫化铁矿物，同时释放氢气（H₂）。在这些"化学花园"中，单细胞古菌詹氏甲烷球菌不仅能够存活，其表现甚至超出研究者预期："这些古菌不仅过度表达乙酰辅酶A代谢途径的部分基因，实际上还实现了指数级增长，"本研究第一作者Vanessa Helmbrecht解释道。该成果已发表于《自然·生态与演化》期刊。"实验初期我们仅预期微弱生长，因为未添加任何额外营养物、维生素或微量金属。"这种单细胞生物展现出卓越能力——可利用硫化铁非生物沉淀产生的氢气作为能量源。

从海底热液喷口沉积物中分离的超嗜热微生物詹氏甲烷球菌，是通过乙酰辅酶A途径进行甲烷生成的模式生物。这种生物适应极端环境："在雷根斯堡大学古菌中心最先进设施的支持下，Dina Grohmann教授和Robert Reichelt博士协助我们完成了培养工作。这对化学花园实验的筹备至关重要，"William Orsi表示。

进化史上最古老的代谢过程

在化学花园中，细胞始终紧邻麦基纳维特矿物颗粒。这与化石证据吻合：地球早期形成的此类矿物沉积层中保留着首批微生物生命的化石痕迹。

研究人员从结果中推论：约40亿年前硫化铁矿物沉淀过程中的化学反应，为最初代细胞的生存提供了充足能量，由此奠定了年轻地球上首批微生物氢气依赖性代谢的基础。因此，这种基于无机化学反应产氢的甲烷生成模式，是进化史上已知最古老的能量获取形式。

太空——下一前沿

慕尼黑大学地球生物学家正在思考：所观测的代谢过程是否可能在地球之外发生？古菌是否可能存在于地外栖息地——例如土卫二恩克拉多斯？NASA已将该土星卫星列为潜在生命候选地，科学家推测其冰壳下岩质核心与液态"苏打海洋"之间存在热液活动。"后续研究中，我们将模拟土卫二环境条件，测试古菌能否在其中存活繁衍，"Helmbrecht透露。