地质生物学：铁、硫、热——与早期生命

很可能，地球上所有生命的最早祖先喜欢温暖的环境，以氢为生，并产生甲烷。慕尼黑大学（LMU）的研究人员基于化石证据和使用基因分析的代谢重建得出了这一结论。这种相对简单、原始的乙酰辅酶A代谢途径至今已在许多微生物中留存下来。

为了更多地了解地球上可能是最早生物体的代谢过程，由地球与环境科学系的William Orsi教授领导的慕尼黑大学研究团队创建了年轻地球约40亿至36亿年前条件的实验室模拟。这些条件与当今海底热液喷口（被称为“黑烟囱”）的条件有相似之处，但一个关键区别是古代海洋充满了溶解铁。

无需任何营养的强劲生长

在实验室实验中，研究人员制造了这种“黑烟囱”的微型版本。如同在海底自然发生的那样，铁和硫的地球化学反应在高温下进行，形成硫化铁矿物，如麦基纳瓦矿（FeS）和格里格矿（Fe₃S₄），在这个过程中产生了氢气（H₂）。在这些“化学花园”中，单细胞古菌Methanocaldococcus jannaschii不仅能够茁壮成长，而且超出了研究人员的预期：“除了过度表达乙酰辅酶A代谢的一些基因外，古菌实际上呈指数增长，”该研究的首席作者Vanessa Helmbrecht解释道，该研究现已发表在Nature Ecology & Evolution期刊上。“起初，我们只期望轻微增长，因为我们没有在实验中添加任何额外的营养、维生素或微量金属。”因此，这种单细胞生物证明了它非常擅长利用由硫化铁的非生物沉淀产生的氢气作为能源。

从海底热液喷口的沉积物中分离出来的超嗜热微生物Methanocaldococcus jannaschii是通过乙酰辅酶A代谢途径进行甲烷生成的模型生物。它是一种适应极端条件的生物：“在培养方面，我们获准使用雷根斯堡大学古菌中心的最先进设施，Dina Grohmann教授和Robert Reichelt博士热情支持了我们。这对于在化学花园中准备实验非常重要，”William Orsi说。

进化史上最古老的新陈代谢过程

在化学花园中，细胞总是紧邻麦基纳瓦矿颗粒。这与化石证据一致，在地球早期历史中，一些此类矿物的地质沉积物中含有最早微生物生命的化石痕迹。

研究人员从研究结果中得出结论，大约40亿年前硫化铁矿物沉淀过程中的化学反应产生了足够的能量供最早细胞的生存，从而为年轻地球上第一批微生物的氢依赖性代谢奠定了基础。因此，这种基于通过化学反应无机产生的氢气的产甲烷形式，是进化史上已知最古老的能源生成形式。

太空——下一个前沿

慕尼黑大学的地球生物学家现在提出一个问题：他们观察到的代谢过程是否也可能在地球之外发生，因此古菌是否可能有外星栖息地——例如在土卫二上。NASA已经将这颗土星的卫星视为可能存在生命的候选地，因为科学家怀疑其岩石核心和冰壳下的液态“苏打海洋”之间存在热液活动。“在我们的下一项研究中，我们将在实验室模拟土卫二的条件，并测试古菌是否能在那里生存和生长，”Helmbrecht说。