黃石公園溫泉古微生物揭開生命演化之秘

蒙大拿州立大學（MSU）的科學家們研究了黃石公園溫泉中的微生物，旨在瞭解生命如何適應不斷增加的氧氣含量。他們比較了高氧和低氧環境中的微生物群落，發現了與氧氣適應相關的獨特基因表達。

在新發表於《自然通訊》（Nature Communications）的一項研究中，蒙大拿州立大學農學院的科學家們對古代微生物如何從早期地球的低氧環境適應到如今的富氧條件，提供了全新的見解。這項研究建立在MSU教授比爾·英斯基普（Bill Inskeep）長達20多年對黃石國家公園的科學調查基礎之上。

該研究由土地資源與環境科學系教授英斯基普，以及微生物學與細胞生物學系副教授門蘇爾·德拉基奇（Mensur Dlakic）共同撰寫。他們研究了位於公園下間歇泉盆地的兩個黃石地熱景觀——海螺泉（Conch Spring）和章魚泉（Octopus Spring）中的嗜熱微生物。

英斯基普和德拉基奇選擇這兩個地點，是因為它們在地球化學上相似，但有一個顯著的不同：與章魚泉相比，海螺泉的硫化物和氧氣含量更高。因此，他們能夠聚焦於兩種對比鮮明的、分別具有低氧和高氧水平的地熱環境。

在這兩個溫度徘徊在華氏190度左右的泉水中，發現了三種嗜熱微生物——即在高溫環境中繁衍的生物。論文指出，這些微生物在各自環境中的生存方式，能夠揭示生命在大氧化事件之前和期間是如何演化的。大氧化事件大約發生在24億年前，當時地球大氣從幾乎沒有氧氣轉變為如今近20%的含氧量。

自1999年起就在黃石公園開展研究的英斯基普表示，當環境中的氧氣開始增加時，這些嗜熱微生物可能在微生物生命的起源中扮演了重要角色。利用氧氣的生物發生了進化。章魚泉的氧氣更多，果然，那裡有更多的需氧生物。這些環境中的生物構成各不相同。

英斯基普和德拉基奇研究的微生物存在於生活在湍急水流中的絲狀物中。這些絲狀物看起來像小海藻，附著在泉水中的岩石和其他物體上，並長出在水流中「擺動」的細絲。

雖然外觀相似，但海螺泉和章魚泉中的絲狀物中棲息著截然不同的微生物群落。儘管有三種微生物在兩個泉水中都很常見，但氧含量更高的章魚泉中的微生物多樣性要高得多。科學家們表示，這為瞭解它們如何進化以在含氧量更高的世界中繁衍提供了線索。

作者們比較了海螺泉和章魚泉微生物中的呼吸基因。適應極低氧含量的基因在海螺泉中高度表達，這意味著它們更活躍。相反，章魚泉中的生物表達的是適應更高氧含量的基因，隨著大氧化事件期間氧含量的增加，這些基因可能更為重要。

在MSU工作了三十年的英斯基普，已經從黃石公園收集了大量資料，但他表示總有更多的東西要學習，更多的問題要問。2020年，他和德拉基奇獲得了美國國家科學基金會「透過綜合促進理解機會」專案的資助，用於研究黃石公園的嗜熱微生物，他們的合作也在不斷揭示地球生命起源中以前未知的方面。

英斯基普說，MSU位於大黃石生態系統中，這使其成為開展此類研究的理想之地。他說：「在實驗室裡很難再現這種實驗；想像一下，試圖創造出恰好含有適量氧氣和硫化物的熱水流。而研究這些環境的美妙之處就在於此。我們可以在這些生物繁衍所需的精確地球化學條件下進行觀察。」

德拉基奇說，雖然生活在溫泉中的「擺動者」的運作方式似乎與人類生活相距甚遠，但它們擴充套件了我們對人類如何繁衍生息，以及各種生命形式如何適應周圍環境以確保生存的認識。他說：「透過研究簡單的東西來理解複雜的生命，這似乎有違直覺，但事情確實得從這裡開始。你必須回顧過去，才能明白我們如今身在何處。」

參考文獻：William P. Inskeep、Zackary J. Jay、Luke J. McKay和Mensur Dlakić的《硫化物和低氧地熱微生物群落中早期進化的嗜熱微生物的呼吸過程》，2025年1月2日，《自然通訊》。DOI: 10.1038/s41467 - 024 - 55079 - z