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第三种形式的生命以非凡的方式产生能量
科学家发现，古菌(继细菌和真核生物之后的第三种生命形式)已经利用氢气和“超简化”酶制造能量长达数十亿年。
国际研究团队发现，至少九个古菌门类的单细胞生物可以利用此前认为仅存在于其他两种生命形式中的酶来生产氢气。
研究人员还发现，与细菌和真核生物相比，古菌拥有最小的氢气利用酶，但这些酶在消耗和生产氢气方面却是迄今为止最复杂的。
这些小而强大的酶使古菌能够在地球上一些最恶劣的环境中生存繁衍，那些地方几乎没有氧气。
来自澳大利亚蒙纳士大学的微生物学家Pok Man Leung表示：“人类最近才开始考虑利用氢气作为能源，但古菌已经这样做了数十亿年。”
“生物技术学家现在可以从这些古菌中汲取灵感，工业化生产氢气。”
氢是宇宙中最丰富的元素，全球用于制造肥料、化学品、处理金属、加工食品和精炼燃料。
但氢气的未来在于能源储存和钢铁制造，如果使用可再生能源将水等物质转化为氢气，便可实现零排放。
微生物产生和释放氢气(H2)是为了完全不同的目的，主要是为了在发酵过程中排出多余的电子。这是微生物在没有氧气的情况下从碳水化合物(如糖)中提取能量的过程。
用于消耗或生产H2的酶称为氢化酶，八年前首次在生命树上进行了全面调查。从那时起，已知的微生物物种数量激增，特别是古菌，它们隐藏在极端环境中，如温泉、火山和深海热泉。
然而，大多数古菌仅从这些环境中发现的部分遗传密码中得知，许多尚未在实验室中培养，因为这样做非常困难。
因此，蒙纳士大学的微生物学家Chris Greening及其同事在全球数据库中搜索了2300多种古菌物种群，寻找编码一种快速反应的[FeFe]氢化酶部分基因。
然后，他们利用谷歌的AlphaFold2预测编码酶的结构，并在大肠杆菌中表达这些酶，以检查这些基因是否真的功能正常并能在其替代宿主中催化氢反应。
Leung说：“我们的发现使我们更接近于了解这一关键过程如何产生了包括人类在内的所有真核生物。”
真核生物是细胞中含有细胞核和膜结合细胞器(如线粒体和其他有用的细胞工厂)的生物。
所有真核生物被认为起源于数十亿年前一个厌氧古菌吞噬了一个细菌的结合体。随后的一次内共生产生了植物的祖先，拥有叶绿体。
Greening、Leung及其同事在九个古菌门类中发现了[FeFe]氢化酶的遗传指令，并证实这些酶在这些微生物中确实活跃——这意味着三种生命领域中都使用这些酶来生产氢气。
但与细菌和真核生物不同，进一步分析显示，古菌为其氢气生产需求组装了“惊人的混合复合体”，将两种氢化酶结合在一起。
研究团队在论文中写道：“这些发现揭示了古菌的新代谢适应性，为生物技术开发提供了简化的H2催化剂，并展示了两种主要H2代谢酶之间意想不到的交织进化历史。”
然而，本研究中分析的许多古菌基因组都是不完整的，不知道还有多少未被发现的物种。
很可能古菌还隐藏着其他我们尚未发现的能量制造方法。未来的研究可能会揭示更多关于古菌如何在极端环境中生存的机制，并为我们提供新的灵感，用于开发绿色能源和其他生物技术应用。科学家们希望，通过深入了解这些微小但强大的生物，我们可以找到更有效的方法来利用氢气，推动可持续发展的未来。
总之，古菌的能量转化方式不仅展示了生命的多样性和适应性，也为现代科技提供了宝贵的借鉴。通过学习这些古老生物的智慧，我们有望在能源生产和环境保护方面取得突破性进展。
本文译自 ScienceAlert，由 BALI 编辑发布。