氫氣在地球生態(tài)系統(tǒng)中的重要地位越來越受到重視。首先，氫氣是地球生命起源的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。其次，地球微生物生態(tài)系統(tǒng)中，氫氣是物種之間能量物質(zhì)交換的核心載體，也是地球上許多微生物在能量不足的情況下賴以生存的基礎(chǔ)�？梢哉f，沒有氫氣，地球微生物多樣性就無法維持。最后，最近關(guān)于土壤細菌和海洋微生物的研究表明，無論是土壤還是海洋，氫氣的氧化供能代謝是這些微生物最基本的代謝方式。最近《自然微生物》雜志兩篇關(guān)于海洋微生物氫氣代謝的研究，再次讓人們關(guān)注氫氣的生態(tài)地位。我個人認為，氫氣是生態(tài)素，是地球生態(tài)的保護神！一句俗語說，科學家對太空的了解比海洋多。值得注意的是，訪問月球的人類比訪問最深海溝的人類還多。海洋環(huán)境中的未知數(shù)從地形延伸到微觀。每毫升海水含有一百萬種微生物，以及一個數(shù)量級的病毒，但這些生物中的大多數(shù)仍未表征和培養(yǎng)。在陽光照射的海洋表面的狹窄帶中，藍藻和真核浮游植物形成食物網(wǎng)的基礎(chǔ)，并將無機碳固定成有機物。異養(yǎng)微生物和病毒在這種固定碳通過水柱下沉時消耗和控制其命運。然而，巨大的海洋生態(tài)系統(tǒng)存在于太陽光的范圍之外。在海洋深處沒有光線會發(fā)生什么仍然是個謎。在本期中，有兩篇文章描述了暗海內(nèi)部的海洋微生物如何利用豐富且可獲得的能源，即氫氣，這一點長期以來一直被忽視。這些發(fā)現(xiàn)表明，一種被認為對地球生命起源很重要的生理能力一直隱藏在現(xiàn)代海洋中。
1977年發(fā)現(xiàn)的深海熱液噴口周圍蓬勃發(fā)展的生物系統(tǒng)挑戰(zhàn)了陽光為地球上所有生態(tài)系統(tǒng)提供燃料的范式。在海底漆黑的海底，距離沐浴在海洋表面的陽光幾千米的地方，發(fā)現(xiàn)了化學合成細菌和古菌。這些微生物使用從熱液噴口噴出的無機還原性化合物如氫氣，而不是使用光子，以產(chǎn)生將無機碳固定到生物質(zhì)中所需的能量和高能化合物，這也很可能是自海洋最初形成以來地球內(nèi)部的地球化學反應(yīng)產(chǎn)生的。因此，微生物界使用氫氣可能更早于光合作用的進化。微生物參與深海中的這些生物地球化學相互作用可能為地球生命的起源提供線索。氫氣是整個海洋水體中可獲得的豐富能源，但海洋微生物可能利用氫氣的程度以及可能影響當前海洋生物地球化學的程度以前尚未確定。在土壤微生物群落中，利用氫氣呼吸和碳固定很普遍，當其他資源稀缺時，被認為對生存很重要，即使氫氣是一種微量氣體，僅占大氣的一小部分，對催化萃取提出了許多挑戰(zhàn)。然而，在海洋系統(tǒng)中，氫氣相對豐富：除了由于深海環(huán)境中的地球化學反應(yīng)而富集外，氫氣在海洋表層相對于大氣濃度的過飽和度高達15倍。盡管氫氣這種高能分子富集，但假設(shè)氫氣氧化是海洋微生物群落中罕見的能力�，F(xiàn)在，隨著跨越不同海洋環(huán)境的宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)集的迅速擴散，研究人員的地理空間覆蓋率探測代謝潛力和基因表達。當與孵化、養(yǎng)殖實驗和建模相結(jié)合時，跨學科研究有望闡明海洋微生物群落的隱藏維度。在本期《自然微生物學》雜志上，Lappan及其同事重新評估了氫氣在海洋中的氧化。作者將基因組調(diào)查，生物地球化學建模和基于培養(yǎng)的分析相結(jié)合，表明海洋細菌使用氫氣在遠洋中比以前認為的更重要。能夠使用氫氣的基因在11個海洋細菌門中發(fā)現(xiàn)。這些細菌僅在中上層微生物群落中以低豐度存在。然而，全球海洋元轉(zhuǎn)錄組中的氫氣氧化基因轉(zhuǎn)錄物都很高，建模速率表明氫氣可能能夠?qū)ｉT支持某些微生物的生長。此外，這些基因隨著深度的增加而增加，這可能意味著氫氣氧化在資源稀缺、氧氣有限和黑暗的海洋地區(qū)更重要。Molari及其同事在本期的第二篇文章中也展示了海洋氫氣氧化以前未被欣賞的方面。利用多組學，作者發(fā)現(xiàn)一種名為USulimonas pluma在非浮力熱液羽流中無處不在。這些羽流來自熱液流體，其中含有更高濃度的還原性氣體，包括硫化氫和氫氣，這些還原性可以擴散到離海底數(shù)百米的地方，可以隨洋流漂流到離源頭數(shù)千公里的地方。雖然US. pluma有一套硫氧化基因，作者報告說氫氣氫化酶在羽流樣品中的表達率高達500倍。總之，這些文章表明，一個古老的代謝過程一直隱藏在現(xiàn)代海洋的視線中。盡管一些海洋細菌很容易利用相對較高的濃度和可觀的能量產(chǎn)量，這種能力在海洋微生物中仍然令人困惑地罕見。這個難題的一在于存在氫氣氫化酶;這些酶對鐵的需求量很高，但這種微量營養(yǎng)素在海洋的大部分地區(qū)都嚴重短缺。有趣的是，Molari及其同事發(fā)現(xiàn)鐵儲存蛋白鐵蛋白在US. pluma，這可能暗示了一種最大化氫化酶生產(chǎn)資源可用性的策略。這些發(fā)現(xiàn)突出了重新評估氫氣氧化和其他被忽視的代謝過程可能會影響海洋微生物生態(tài)學，并與行星生物地球化學循環(huán)相聯(lián)系。特別令人感興趣的是研究微生物生理學與人為和氣候變化影響的交集，例如海洋氧區(qū)的擴散，深海采礦，溫度上升引起的海洋環(huán)流模式的改變，或陸地干旱增加富含鐵的塵埃沉積到海面。使用跨學科方法，了解海洋深處還隱藏著哪些其他微生物代謝寶藏將是令人興奮的。