如果土衛二上真有生命，它會是污水廠的細菌兄弟嗎？
學術星期四 Vol. 36
2017年9月15日，著名的「卡西尼」號探測器衝進土星大氣層，之後與土星大氣摩擦後燒毀，結束13年的土星探索。估計大家當時的朋友圈都被「卡西尼」三個字刷屏了。
對於卡西尼號的偉大，大家隨便百度一下都有海量信息。但它的離去只是意味著人類宇宙探索新篇章的開啟：據NASA官網消息稱，NASA位於馬里蘭州的戈達德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）的科學家們已經計劃打造亞毫米土衛二生命基礎儀（Submillimeter Enceladus Life Fundamentals Instrument，簡稱SELFI），並運至土衛二（Enceladus），用以研究其噴射出的間歇泉中的水汽和冰粒的成份。它最終要解答的問題是：在土衛二及其他外太陽系的世界中，是否存在生命？
SELFI計劃的示意圖 | 圖源：NASA
但是，上一次天可不是隨便喊一聲就能做到的，你看Elon Musk卧薪嘗膽多少年才算是成功將重型火箭送上天。所以能在地球上先搞定的事，就盡量留在地上辦好。來自維也納大學的科學家Simon Rittmann和另外幾位奧地利的科學家就是這麼一個好榜樣，他們將上邊的問題換一種方式提問：如果我們人造一個土衛二的環境，是否能夠讓產甲烷菌生存呢？試驗結果發表在2018年2月底的《自然通訊》(Nature Communications)上，原標題為《Biological methane production under putative Enceladus-like conditions（在假定土衛二條件下的生物甲烷生產）》。與此同時，Rittmann先生在《自然》的微生物社區寫了一篇博客，題為《Novel insights into the physiology of biological methane production》。
我們做污水處理這行的人，對產甲烷菌適應各種艱苦條件的驚人意志力可以說是佩服得五體投地。厭氧技術的很多新理念沒法得到工業化應用，也多得產甲烷菌所賜。作為一個曾被產甲烷菌折磨過的科研狗，小編對Rittmann這篇文章十分感興趣，本期學術星期四，小編就帶大家看看Rittmann先生對生物產甲烷的生理學有什麼新發現。
土衛二的照片 | 圖源：NASA
Simon K.-M. R. Rittmann
奧氏部落「學術星期四」專欄
土衛二的甲烷是由微生物放出的？
木衛二的英文名叫Enceladus，它被認為是太陽系內除地球外最有可能存在生命的星球，也是目前太陽系中最令人感興趣和研究得最深的星體之一。大家因為可能會問：細菌能否在土衛二上生存呢？
土衛二海底的潛在水熱活動 | 圖源：NASA
我們人類認為的生命所需三大成分——液態水、合適的有機化學組成（如碳，氫，氮，氧，磷和硫）和新陳代謝的能源，都在土衛二發現了。說得更具體一點，包括氫分子、甲烷、二氧化碳、一氧化碳和氮分子這些支持氫自養產甲烷菌生存的分子，都由卡西尼號探測出來了。土衛二有可能存在著一個平均溫度在0℃左右的地下海洋，但也可能存在溫度高達90℃的熱液噴口。在土衛二的水岩相互作用地帶，一種被稱為低溫蛇紋石化（serpentinization）的地化作用會產生氫氣，其濃度足以支持氫營養型自養產甲烷菌的生存。
模擬條件下的實驗室研究
早在5年前，他們就假設產甲烷微生物能夠在幾種抑制物和高壓條件下，靠無機化合物生長。化能無機自養型的產甲烷菌是已被證實能在地球各種極端環境條件下通過各種新陳代謝路徑生長的生物。從海底的熱液噴口（hydrothermal vents）到永久凍土（permafrost soils），無論是零下還是122℃的高溫，科學家們已經在不同的棲息環境中發現它們的身影。這些產甲烷菌的生活環境可能與生命誕生之初的地球自然環境相似，所以微生物學家也成這類生物為古生菌(Archaea)。在換句話說，產甲烷生物的生存條件跟整個太陽系外星體上檢測到的環境條件是相似的。尤其是象土衛二這些冰冷的「月球」的環境情況理應能夠支持我們已知的產甲烷菌的生長。
氫營養型自養產甲烷菌在含氣態抑製劑的batch模式的培養
圖源：Nature
在這樣的背景之下，奧地利的這個研究團隊設計了這個實驗，看看在假定的土衛二條件下是否會產生甲烷。
他們選擇了三種產甲烷菌的菌株進行研究：包括產甲烷球菌屬的Methanococcus villosus(80°C)、沖繩甲烷球菌(Methanothermococcus okinawensis- 65°C)和Methanothermobacter marburgensis(65°C)。它們都能在低氧環境中將二氧化碳和氫氣還原成甲烷。經過初步研究，他們認為M. okinawensis最有可能出現在土衛二上，所以研究團隊選取了它作進一步的深入研究。話說M.okinawensis是所以叫沖繩甲烷球菌，是因為它當年是在位於沖繩海溝的一個深海熱液噴口出分離出來的（海平面以下972m），這已經顯示其耐高壓能力。
研究還指出，一種低溫的名為蛇紋石化（serpentinization，對含鎂岩石進行分解產生蛇紋石的蝕變作用）的地化作用在土衛二上也有發生。蛇紋石化可以產生足量的氫氣來支持產甲烷微生物。
這個實驗的結果表明，在假定的土衛二環境參數下，生物產甲烷反應確實可以發生。來自地球上的深海熱泉口的微生物，可以在抑制物與高壓並存的環境下生長。
尚待考證的未知答案
這個研究也吸引了媒體的關注，例如美國知名科技博客Gizmodo就找來了幾位「磚家」進行了點評，當然也包括了Rittmann先生。他說：「「這是關於特定地球微生物的第一次跨學科研究，它涵蓋了天文地球化學、行星學、微生物生理學和高壓生物學。」
正所謂文人相輕，來自康奈爾大學的物理學教授 Jonathan I. Lunine 則表示：「能夠發現能在類土衛二環境生長的微生物當然很棒，但對於微生物能在這樣的環境下生長倒並不驚訝。」 值得一提的是，Lunine教授壓根沒參與這項研究，但他還是指出了該研究的一個商榷點：實驗中使用的培養基的pH值（即酸鹼度）低於卡西尼號所發現的範圍值，而pH值的升高可能會抑制微生物的生長。NASA的天體物理學家 Chris McKay 對此也表示認同，他說該研究沒有將土衛二的深海熱泉口處的壓力、溫度、pH值、二氧化碳和氨等因素同時設計到實驗中非常可惜，雖然「這確實很難做到」。Rittmann先生也承認說試驗的設計是一大挑戰，很難百分百地還原土衛二的環境：「儘管我們努力地想讓實驗設置在儘可能廣的因素，但得到的仍只是『可能』的結果，這些結果並不能作為外星生命存在的證據。」
Rittmann實事求是的精神是值得大家鼓掌的。專家認為，產甲烷菌幾乎不可能是土衛二甲烷的唯一可能來源。 即使在沒有生命的情況下，地球上的一些熱泉口也能產生甲烷。而跟冰冷的土衛二有很多相似之處的彗星，似乎能從星際雲中撿氣甲烷。 甚至即使土衛二上的生命體確實能產生甲烷，它也不一定與M.inainawensis相似，起碼不會像馬與斑馬類比那樣。「自然通常比我們聰明。它可能以完全不同的方式使用同一種燃料，「西南研究所的行星學家Hunter Waite說， 「它會像地球上的微生物嗎？ 可能不會。 它也是以DNA為基礎嗎？ 也許不會。
但他和西南研究所的另外一位同事Christopher Glein都肯定了這個研究的意義所在，但他們，甚至是Rittmann本人都表示：前往土衛二，並在其特有的環境中尋找和研究產甲烷生物將是無可替代的研究方法。「要精確找到土衛二是否有生命存在的唯一途徑，就是真正的去到那裡。」他們值的是帶上有質譜儀的探測器對生物體獨有的碳同位素分析，以及產甲烷菌的其他潛在「生物標記」，包括脂質和碳氫化合物進行檢測。
Rittmann在博客結尾也說道，這個研究的另一個意義就是反過來印證了地球微生物污染外星體的可能性，未來的太空任務必須考慮行星保護規定。
Rittmann的實驗室團隊，
中間藍色衣服的也是這篇報告的一作Ruth-Sophie Taubner
搬了這麼久的磚，大家是否會問小編，這跟我們做污水處理有啥關係？
小編也是對此有所思考的：第一，這說明我們的污水處理的研究其實一點都不low，因為最後連NASA這樣的機構可能也要請教我們研究微生物的污水專家；第二，這研究也告訴我們想要抑制產甲烷菌獲取其他厭氧發酵產物在長期運行中困難重重（各相關課題的博士們自重）；第三、在研究污水微生物而又想轉行的朋友你們現在是不是已經看到了一條光明的新出路了呢？
參考資料
1.http://archaea.univie.ac.at/research/simon-rittmann-lab/
2.https://naturemicrobiologycommunity.nature.com/posts/30737-novel-insights-into-the-physiology-of-biological-methane-production
4.https://info.3g.qq.com/g/s?sid=&aid=news_ss&id=tech_20180303A0JQHX&pos=&lpid=1&pid=1&day=&rt=2&fr=&icfa=home_touch&iarea=287
5.http://www.stdaily.com/index/h1t18/2018-02/28/content_641755.shtml
6.https://gizmodo.com/experiment-shows-microbes-could-thrive-on-saturn-s-moon-1823355244
7.https://phys.org/news/2018-02-alien-life-solar-hints-saturn.html
8.https://www.wired.com/story/if-theres-life-on-saturns-moon-enceladus-it-might-look-like-this/
【奧尼卡水處理創新部落】
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