由于十多年來(lái)從黃石國(guó)家公園收集的數(shù)據(jù)，蒙大拿州立大學(xué)農(nóng)業(yè)學(xué)院和文理學(xué)院的跨學(xué)科科學(xué)家團(tuán)隊(duì)最近發(fā)表了一項(xiàng)研究，為碳循環(huán)中以前未知的元素提供了新的線(xiàn)索。

密歇根州立大學(xué)土地資源與環(huán)境科學(xué)系教授蒂姆·麥克德莫特 (Tim McDermott) 于 2007 年開(kāi)始研究黃石湖的微生物學(xué)。 在收集數(shù)據(jù)以分析湖的化學(xué)成分以及湖中各種微生物與公園潛在熱特征的相互作用時(shí)，麥克德莫特注意到有些不對(duì)勁。

“我們發(fā)現(xiàn)了一些毫無(wú)意義的湖水氣體化學(xué)物質(zhì)，”麥克德莫特說(shuō)。“我們?cè)谖覀儧](méi)想到的地方看到了很多甲烷，并想知道，'這里發(fā)生了什么?'”

這種差異說(shuō)明了所謂的“甲烷悖論”。多年來(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)明白，當(dāng)微生物產(chǎn)生甲烷時(shí)，它們是厭氧的，這意味著它們不使用氧氣。但是在團(tuán)隊(duì)看到甲烷的湖面水中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何生物。

甲烷是一種由碳原子和氫原子組成的天然氣體。它是許多生物過(guò)程的副產(chǎn)品，盡管開(kāi)采煤炭和提煉天然氣等人類(lèi)活動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生甲烷。眾所周知，它是一種溫室氣體，在吸收大氣中的熱量時(shí)比二氧化碳強(qiáng)得多，這就是為什么許多研究人員有興趣確定它在生物圈中的哪個(gè)位置產(chǎn)生以及它去哪里。

于是開(kāi)始了與同樣來(lái)自土地資源與環(huán)境科學(xué)系的 John Dore 長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的合作?；瘜W(xué)與生物化學(xué)系的 Brian Bothner 和 Roland Hatzenpichler;微生物學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)系助理研究教授王倩。這項(xiàng)研究是本周發(fā)表在《國(guó)家科學(xué)院院刊》上的一篇題為“有氧細(xì)菌甲烷合成”的新論文的主題。

王在黃石湖領(lǐng)導(dǎo)了五個(gè)夏天的數(shù)據(jù)收集和分析工作。

“一開(kāi)始，我們沒(méi)有意識(shí)到發(fā)生了什么，”她說(shuō)。“但是當(dāng)我們從湖水中提取 DNA 時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)我們找不到通常導(dǎo)致甲烷存在的厭氧生物。相反，我們發(fā)現(xiàn)了好氧細(xì)菌，分離了一種叫做酸食性細(xì)菌的細(xì)菌，它然后讓我們開(kāi)始了解這個(gè)過(guò)程。”

Bothner 實(shí)驗(yàn)室小組使用分析設(shè)備來(lái)確定湖水中是否存在甲胺和甘氨酸甜菜堿，該小組假設(shè)這些生化物質(zhì)是甲烷生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵。為了驗(yàn)證這一理論，Wang 縮小了嗜酸菌將甲胺或甘氨酸甜菜堿轉(zhuǎn)化為甲烷所需的基因。

“我們可以將其分解為關(guān)于在有氧條件下甲胺轉(zhuǎn)化為甲烷的基本發(fā)現(xiàn)，”麥克德莫特說(shuō)。“從科學(xué)上講，根據(jù)我們擁有的所有知識(shí)，這不應(yīng)該發(fā)生。因此，我們經(jīng)歷了一個(gè)消除過(guò)程，以確定發(fā)生這種情況的方式和原因，這是黃石公園研究基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)的另一個(gè)例子。”

通過(guò)一系列微生物實(shí)驗(yàn)和對(duì)湖泊樣本中更廣泛的生物群落的廣泛分析，Wang 確定了一個(gè)已知的基因，該基因編碼天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶或 AAT，它似乎在催化甲烷合成。

下一步是看 AAT 酶本身是否能夠催化甲胺轉(zhuǎn)化為甲烷。為此，Wang 分離了該基因，將其轉(zhuǎn)移到大腸桿菌中，因?yàn)樗哂斜磉_(dá)外源基因的能力，因此被微生物學(xué)家和生物化學(xué)家廣泛使用。麥克德莫特將其比作將盒式磁帶插入播放器。

Wang 解釋說(shuō)，普通的大腸桿菌細(xì)胞不能將甲胺轉(zhuǎn)化為甲烷。但是當(dāng)提供 AAT 基因時(shí)，它可以。

“現(xiàn)在很少有我們目前對(duì)生物化學(xué)的理解無(wú)法解釋的事情，”Bothner 說(shuō)。“這使得它成為一個(gè)有趣且具有挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目。”

Bothner 說(shuō)，這一發(fā)現(xiàn)的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不為過(guò)。有氧甲烷合成完全可以發(fā)生的事實(shí)是生物地球化學(xué)領(lǐng)域的一次地震。由于甲烷是一種比二氧化碳強(qiáng)得多的溫室氣體，因此科學(xué)家們有興趣確定它在生物圈中的哪個(gè)位置產(chǎn)生以及它去了哪里。他說(shuō)，這個(gè)項(xiàng)目為黃石國(guó)家公園及其他地區(qū)的廣泛深入研究創(chuàng)造了一個(gè)跳板。

“這是一個(gè)與厭氧甲烷合成完全不同的過(guò)程，”麥克德莫特說(shuō)。“從生態(tài)的角度來(lái)看，認(rèn)為這發(fā)生在整個(gè)生物圈是合乎邏輯的，而不僅僅是在黃石湖。可以想象，它甚至發(fā)生在世界各地的海洋和全世界。”