來自威斯康星大學(xué)麥迪遜分校地球科學(xué)實驗室的一對論文揭示了一組奇怪的細菌，這些細菌使用鐵的方式與動物使用氧氣的方式非常相似：在生化反應(yīng)過程中吸收電子。當有機體 - 無論是細菌還是動物 - 氧化碳水化合物時，電子必須到達某個地方。

UW-Madison地球科學(xué)教授埃里克羅登說，這些研究可以揭示生命如何產(chǎn)生的長期問題，但它們在尋找太空生命方面也有一些更實際的應(yīng)用。動物使用氧氣并“減少”它以產(chǎn)生水，但是一些細菌使用缺乏電子的鐵，將其還原為更富電子形式的元素。具有諷刺意味的是，富電子形式的鐵也可以在相反的“氧化”反應(yīng)中提供電子，其中細菌從字面上“吃掉”鐵以獲得能量。

鐵是地球上第四豐富的元素，由于自由氧在水下和地下稀缺，細菌已“思考”或進化出一種不同的解決方案：將電子轉(zhuǎn)化為鐵，同時代謝有機物質(zhì)。

羅登說，這些細菌“像我們一樣吃有機物”。“我們將電子從有機物質(zhì)轉(zhuǎn)移到氧氣。這些細菌中的一些使用氧化鐵作為電子受體。另一方面，其他一些微生物接受其他鐵化合物捐贈的電子。在這兩種情況下，電子轉(zhuǎn)移對它們的能量至關(guān)重要。循環(huán)“。無論反應(yīng)是氧化還是還原，移動電子的能力對于細菌處理能量以促進其生活方式至關(guān)重要。

羅登花了數(shù)十年時間研究鐵代謝細菌。“我專注于自然系統(tǒng)中微生物的活動和化學(xué)處理，”他說。“我們從環(huán)境中收集材料，將其帶回實驗室，并通過一系列地球化學(xué)和微生物測量來研究新陳代謝。”

目前的研究主要集中在巧克力鍋溫泉的細菌樣本，這是黃石國家公園中一個相對涼爽的地熱溫泉，以深紅褐色的氧化鐵為名。相關(guān)研究涉及從一個不那么吉祥的環(huán)境中獲得的文化 - 德國的一個溝渠。這兩項研究都是在線，應(yīng)用與環(huán)境微生物學(xué)和地球生物學(xué)。

在研究期間，Roden和博士生Nathan Fortney以及研究科學(xué)家Shaomei He探討了培養(yǎng)生物如何改變氧化態(tài) - 鐵化合物中的電子數(shù)量。他們還在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校生物技術(shù)中心使用先進的基因組測序儀器來識別基因組中的DNA串。“在純培養(yǎng)中不能獲得超過99%的微生物多樣性，”He說，這意味著它們不能作為單一菌株進行分析。“我們不是經(jīng)歷漫長，費力且經(jīng)常不成功的分離菌株的過程，而是應(yīng)用基因組工具來了解生物體在混合群落中的表現(xiàn)。”

研究人員發(fā)現(xiàn)了一些能夠代謝鐵的未知細菌，并且還獲得了一些具有獨特能力的遺傳數(shù)據(jù)，其中一些具有：在兩個方向上傳輸電子穿過細胞外膜的能力。“細菌不僅進化了能夠開辟利基以利用鐵作為能量的新陳代謝，”He說，“但這些新的電子傳遞機制使他們有辦法使用不能帶入細胞內(nèi)的鐵。”

“這些是基礎(chǔ)研究，但這些化學(xué)轉(zhuǎn)化是各種環(huán)境系統(tǒng)的核心，與土壤，沉積物，地下水和廢水有關(guān)，”羅登說。“例如，能源部有興趣找到一種通過鐵代謝細菌的活動從有機物中獲取能量的方法。” 這些細菌對于將巖石風化到土壤中的生命過程也是至關(guān)重要的。

羅登說，鐵代謝細菌已有一個世紀的歷史，實際上是在麥迪遜地區(qū)的地下水中發(fā)現(xiàn)的。“地質(zhì)學(xué)家看到有機體形成了這些在光學(xué)顯微鏡下可見的獨特結(jié)構(gòu)。它們形成了莖或鞘，原來它們被用來移動鐵。”

羅登和他是地質(zhì)生物學(xué)家，他們對微生物如何影響地質(zhì)感興趣，但是現(xiàn)在只有充分認識到微生物在地球進化中的重要性，Roden說。“當我們?nèi)哪昵奥?lián)系生物技術(shù)中心討論測序時，眉毛上升了：'這些人來自地質(zhì)學(xué)，他們在談?wù)撌裁?' 但我們堅持使用它，它變成了一種非常酷的合作，使我們能夠應(yīng)用他們的優(yōu)秀工具，這些工具更常用于生物醫(yī)學(xué)和相關(guān)的微生物問題。“

羅登說，一些鐵代謝細菌出現(xiàn)在生命之樹的早期階段，這使得這些研究與發(fā)現(xiàn)生命的起源相關(guān)，但這些研究結(jié)果也對尋找生命在太空中的生命產(chǎn)生了影響。“我們的支持來自美國宇航局在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的天體生物學(xué)研究所。在像火星這樣的巖石星球上，生命可能依賴于鐵代謝而不是氧氣。

“天體生物學(xué)的一個基本方法是使用地面站點作為類似物，在那里我們尋找洞察其他世界的可能性，”羅登繼續(xù)說道。“有些人認為使用氧化鐵作為電子受體可能是地球上第一個或最先形成的呼吸形式之一。而在巖石行星周圍有很多鐵。”