科学家首次公布新产甲烷生物群的实验证据
蒙大拿州立大学的一组科学家首次提供了实验证据，证明在黄石国家公园的热力区中繁衍生息的两组新微生物会产生甲烷——这一发现有朝一日可能有助于开发缓解气候变化的方法，并为了解太阳系其他地方的潜在生命提供参考。《自然》杂志本周发表了密歇根州立大学文理学院化学与生物化学系副教授兼热生物学研究所副主任罗兰·哈岑皮克勒实验室的研究成果。
两篇科学论文描述了密歇根州立大学研究人员对已知首例产生甲烷的单细胞生物的验证，这些生物存在于广古菌谱系之外，而广古菌谱系是生命树中较大的分支古菌的一部分。
产甲烷的单细胞生物被称为产甲烷菌。人类和其他动物靠进食、呼吸氧气和呼出二氧化碳生存，而产甲烷菌则以二氧化碳或甲醇等小分子为食，呼出甲烷。大多数产甲烷菌都是严格的厌氧菌，也就是说它们无法在有氧气的情况下生存。
自 20 世纪 30 年代以来，科学家就知道古菌中的许多厌氧生物都是产甲烷菌，并且几十年来他们一直认为所有产甲烷菌都属于一个门：广古菌门。
但大约 10 年前，人们开始在其他门类中发现带有产甲烷基因的微生物，其中包括一种名为 Thermoproteota 的微生物门类。该门类包含两个微生物群，分别称为 Methanomethylicia 和Methanodesulfokora。
“我们对这些生物的了解仅限于它们的 DNA，”哈森皮克勒说，“没有人见过这些假想的产甲烷菌的细胞；没有人知道它们是否真的使用了产甲烷基因，或者它们是否通过其他方式生长。”
哈岑皮克勒和他的研究人员开始测试这些生物是否通过产甲烷生存，他们的研究以密歇根州立大学的一位前研究生麦肯齐·莱恩斯去年发表的一项研究结果为基础。
样本是从黄石国家公园温泉沉积物中采集的，温度范围为 141 至 161 华氏度（61 至 72 摄氏度）。
通过哈森皮克勒所说的“艰苦工作”，密歇根州立大学博士生安东尼·科茨和博士后研究员维奥拉·克鲁肯伯格在实验室中培育了黄石微生物。这些微生物不仅存活下来，而且茁壮成长——它们还产生了甲烷。随后，该团队开始研究新微生物的生物学特性，其中还包括苏黎世联邦理工学院的科学家扎卡里·杰伊和其他研究人员。
与此同时，农业农村部沼气研究所程雷和荷兰瓦赫宁根大学戴安娜索萨等研究员团队历时6年，成功培育出一株新型产甲烷菌。
Hatzenpichler 说： “在我们的研究之前，除了 DNA 测序之外，还没有对这些微生物进行过任何实验工作。”
他说，程先生和索萨先生提出将这项研究成果一起提交发表，而程先生关于分离出另一种 Methanomethylicia 成员的论文与哈岑皮克勒实验室的两项研究成果一起发表了。
哈岑皮希勒表示，虽然新发现的产甲烷菌群之一Methanodesulfokora似乎仅分布在温泉和深海热液喷口，但Methanomethylicia却广泛存在。
它们有时存在于污水处理厂和反刍动物的消化道中，以及海洋沉积物、土壤和湿地中。哈森皮克勒说，这很重要，因为产甲烷菌产生了世界上 70% 的甲烷，根据美国环境保护署的数据，甲烷在吸收大气热量方面比二氧化碳强 28 倍。
他说：“甲烷浓度的增长速度比二氧化碳快得多，而且人类向大气中排放甲烷的速度也比以前任何时候都要快。”
Hatzenpichler 表示，虽然这些实验回答了一个重要问题，但它们也产生了更多问题，将为未来的研究提供动力。例如，科学家还不知道生活在非极端环境中的 Methanomethylicia 是否依赖产甲烷来生长，还是通过其他方式生长。
“我最确定的是，它们有时通过产生甲烷来生长，有时它们会做完全不同的事，但我们不知道它们何时生长，如何生长，或为什么生长。”哈森皮克勒说。“我们现在需要找出它们何时有助于甲烷循环，何时无助于甲烷循环。”
广古菌中的大多数产甲烷菌使用二氧化碳或醋酸盐来制造甲烷，而 Methanomethylicia 和 Methanodesulfokora 则使用甲醇等化合物。Hatzenpichler 表示，这一特性可以帮助科学家了解如何改变它们所处不同环境的条件，从而减少向大气中排放的甲烷。
他的实验室将于今年秋季开始与密歇根州立大学博兹曼农业研究与教学农场合作，后者将提供样本，用于进一步研究牛体内的产甲烷菌。此外，今年秋季加入哈森皮克勒实验室的新研究生将确定新发现的古菌是否会在废水、土壤和湿地中产生甲烷。
Hatzenpichler 表示，Methanomethylicia 还具有令人着迷的细胞结构。他与苏黎世联邦理工学院的两位科学家 Martin Pilhofer 和研究生 Nickolai Petrosian 合作，展示了这种微生物形成了以前未知的细胞间管道，将两个或三个细胞相互连接起来。
“我们不知道它们为什么会形成这些结构。这种结构在微生物中很少见。也许它们交换 DNA；也许它们交换化学物质。我们还不知道，”哈森皮克勒说。
Hatzenpichler 在一次在线讲座和最近的Matters Microbial播客中讨论了这两项研究的结果，并制作了关于甲烷循环的信息图。
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