极端环境下微生物产气光谱研究：探索早期类地行星大气中CO/CO2作为生物标志物的潜力

《International Journal of Astrobiology》：Exploring extremophile gas production as a biomarker for early Earth atmospheres

本研究探索了极端微生物（来源于阿塔卡马沙漠的玫瑰杆菌Roseovarius sp.）产生的气体作为早期地球大气生物标志物的潜力。研究人员通过拉曼和红外光谱技术检测了细菌释放的CO等气体光谱特征，并将其与模拟早期类地行星的理论大气模型光谱进行比较。结果表明，玫瑰杆菌代谢产生的CO在特定波段（如1996 cm-1）具有可识别的光谱信号。结合基因组分析，研究确定了其与一碳代谢相关的关键酶（如CODH、FDH等）。这项研究为未来利用JWST和大型望远镜探测系外行星大气中的潜在生物标志物提供了实验和理论依据。

　　

在浩瀚的宇宙中，寻找地球以外的生命迹象是当代科学最激动人心的前沿之一。科学家们通过分析遥远行星大气层的化学成分，希望能够捕捉到“生物标志物”——那些由生命活动产生的独特气体或光谱信号的蛛丝马迹。然而，这是一项极其复杂的挑战。一个核心问题是：在类似早期地球这样无氧或贫氧的环境中，哪些气体能够稳定存在并被我们探测到？更重要的是，如何区分这些气体是由生物过程产生，还是纯粹的非生物地质或光化学反应的产物？例如，一氧化碳（CO）就是一个充满争议的分子。一方面，它是一些古老微生物代谢路径（如Wood-Ljungdahl途径，WLP）中的关键参与者；另一方面，在没有生命的行星大气中，CO也可能通过非生物过程积累。因此，单纯探测到CO并不能作为存在生命的铁证，它甚至有时被视为一种“反生物标志物”。为了破解这一难题，科学家们将目光投向了地球上的极端环境，那里生存着可能模拟早期地球生命形式的微生物，为理解系外行星的潜在生物信号提供了绝佳的地面实验室。

本研究发表在《International Journal of Astrobiology》上，旨在探索这样一个核心问题：来自极端环境的微生物（如阿塔卡马沙漠的玫瑰杆菌Roseovarius sp.）所产生的气体光谱特征，能否作为未来在类地系外行星大气中探测生命的潜在参考依据？为了回答这个问题，研究团队开展了一项结合微生物学、基因组学和天文物理学的交叉研究。他们从智利北部的阿塔卡马沙漠萨拉尔-利亚马拉盐沼分离出玫瑰杆菌，并在好氧和厌氧条件下进行培养。通过拉曼光谱和红外光谱技术，直接测量了完整细菌细胞产生的气体振动光谱。同时，对细菌进行了全基因组测序和生物信息学分析，以确定其参与碳代谢（特别是CO代谢）的关键酶基因。最后，利用辐射传输模型（petitRADTRAMS）生成了模拟早期地球大气（以H₂/He或CO₂/N₂为主要背景）的理论透射光谱，评估了在不同痕量气体丰度（从1 ppb到1000 ppm）和不同云层条件下，CO、CO₂等关键分子的光谱特征的可探测性。研究将实验获得的光谱峰值与理论模型进行比对，从而评估这些由极端微生物产生的气体信号在系外行星观测中的实际意义。

作者为开展研究所用的主要关键技术方法包括：

1. 1.
   样本采集与培养：研究样本来源于智利阿塔卡马沙漠萨拉尔-利亚马拉盐沼，分离并培养了玫瑰杆菌（Roseovarius sp.），分别在好氧和厌氧（高CO₂浓度）条件下进行。
2. 2.
   基因组测序与生物信息学分析：提取细菌DNA并进行Illumina测序。使用KBase平台进行基因组组装、注释和功能分析，特别关注碳代谢相关基因，如碳一氧化物脱氢酶（CODH）和甲酸脱氢酶（FDH）等。
3. 3.
   振动光谱学技术：
   • •
     拉曼光谱：使用785 nm激光拉曼光谱仪，在好氧和厌氧条件下，借助金和银纳米颗粒增强信号，检测细菌细胞的振动模式。
   • •
     红外光谱：使用傅里叶变换红外光谱仪，将细菌生物质与溴化钾压片后进行分析。
4. 4.
   理论大气光谱建模：使用petitRADTRAMS辐射传输软件包，构建了类地行星（地球质量、地球半径）的透射光谱模型。设定了两种主要背景大气（H₂-He主导和CO₂-N₂主导），并系统变化CO、CO₂、CH₄、NH₃等痕量气体的丰度，计算了无云和有水云覆盖情况下的理论光谱。

研究结果：

一、碳代谢关键酶的鉴定

通过对玫瑰杆菌基因组的生物信息学分析，研究团队鉴定出了一系列参与碳代谢的关键酶。其中最重要的是碳一氧化物脱氢酶，它由三个亚基（小、中、大）构成，属于铜-钼型CODH，能够催化CO与CO₂之间的可逆氧化还原反应，表明该菌具有利用CO的能力。此外，还鉴定出了甲酸脱氢酶以及参与一碳代谢的四氢叶酸依赖酶，如甲酰-THF合成酶、亚甲基-THF脱氢酶、亚甲基-THF还原酶等。基因组数据还显示该菌拥有二甲基亚砜还原酶、参与氮代谢的脲酶以及碳酸酐酶等多种代谢酶，表明其代谢途径非常多样，能够适应恶劣环境并利用多种碳、氮、硫源。

二、振动光谱分析

振动光谱分析为微生物的代谢活动提供了直接的物理化学证据。

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  拉曼光谱：在好氧和厌氧条件下获得的拉曼光谱在去除自发荧光后显示出差异。光谱中识别出多个与CODH酶活性中心相关的特征振动峰：
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    在~336 cm^-1处的峰归属于CODH小亚基中的[Fe₂S₂]簇的振动，在好氧条件下信号更强。
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    在835-898 cm^-1（反对称）和858-938 cm^-1（对称）范围内的峰对应于钼-氧键的振动，与CODH大亚基中的钼蝶呤辅因子相关。
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    在~1400 cm^-1处的峰可能对应于CODH中亚基中的黄素腺嘌呤二核苷酸基团。
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    最关键的发现是在1996 cm^-1 处观察到一个明显的峰，这与一氧化碳分子的三键伸缩振动高度相关，为玫瑰杆菌代谢过程中产生或结合CO提供了直接证据。
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  红外光谱：使用KBr压片获得的红外光谱在~1650 cm^-1处观察到一个波段，同样对应于CO的振动，与拉曼光谱的结果相互印证。
  这些光谱特征共同证实了玫瑰杆菌在好氧和厌氧条件下均具有活跃的碳一氧化物代谢能力。

三、大气模型与光谱可探测性评估

理论大气模型模拟了在两种可能早期类地行星大气（还原性的H₂/He大气和氧化的CO₂/N₂大气）背景下，痕量生物标志物气体（CO， CO₂， CH₄， NH₃， H₂CO， SO₃）的光谱特征。

• •
  模型显示，在无云的清晰大气中，这些气体在其特征吸收波段（如CO₂在4.3 μm， CO在4.67 μm， CH₄在3.3和7.7 μm）会产生明显的透射光谱吸收特征。随着痕量气体丰度从1 ppb增加到1000 ppm，光谱特征的深度（表现为行星等效半径的偏移）显著增加。
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  当引入一个在0.01 bar压力处截断的不透明水云层时，所有光谱特征都被大幅削弱，因为云层阻挡了对更底层大气的探测。这表明云层是系外行星大气表征的一个主要障碍。
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  研究设定了基于未来望远镜（如JWST）的探测灵敏度阈值（例如50 ppm的凌星深度灵敏度），并将其转换为等效半径偏移。模型结果表明，对于绕M型矮星运行的行星，在痕量气体丰度足够高（例如达到ppm级别）且大气相对清晰的情况下，CO和CO₂等分子的特征波段在理论上是可以被探测到的。

结论与讨论：

本研究通过整合实验测量、基因组分析和理论建模，系统评估了极端微生物玫瑰杆菌产生的气体作为系外行星生物标志物的潜力。主要结论如下：

1. 1.
   代谢潜力证实：玫瑰杆菌拥有完整的CO代谢和多样化的一碳代谢途径，其基因组中编码了关键的CODH等酶，使其能够在类似早期地球的极端环境中利用CO和CO₂。
2. 2.
   光谱指纹获取：实验上首次直接获得了该菌在完整细胞状态下的振动光谱，并明确识别出与CO代谢相关的特征峰（如1996 cm^-1的CO峰），为生物源CO提供了可参考的“光谱指纹”。
3. 3.
   可探测性评估：理论模型表明，在理想（无云）条件下，由微生物代谢产生的痕量气体（如CO、CO₂）若能在行星大气中积累到一定丰度（ppm级别），其光谱特征有可能被下一代空间望远镜（如JWST）或极大望远镜探测到。然而，大气中云层的存在会严重削弱这些信号。
4. 4.
   研究意义与展望：这项工作的核心意义在于建立了从地球极端环境微生物代谢，到其释放气体的实验光谱表征，再到系外行星大气光谱可探测性理论评估的完整研究链条。它强调了在寻找地外生命时，不能孤立地看待单一分子（如CO），而应关注多种气体组合（如CO与CH₄、NH₃、H₂S等的特定比例）以及表面生物特征（如植被红边）的综合分析，以降低误判风险。阿塔卡马沙漠等地球极端环境作为“类地行星模拟实验室”的价值再次得到凸显。未来研究可以进一步量化微生物产气的速率和通量，并将其整合到更复杂的光化学-气候耦合模型中，从而更准确地预测在各类系外行星上可能观测到的生物标志物光谱。这项研究为即将到来的系外行星大气普查时代，提供了来自地球生命本身的地面实验基础和重要的理论参照。