《自然》颠覆性发现：所有生物都会释放甲烷
甲烷是一种强有力的温室气体，多年来，科学家们一直认为甲烷是由一种叫做古菌的单细胞微生物在无氧(厌氧)的情况下分解有机物产生的。
现在，由Frank Keppler和Ilka Bischofs领导的科学家合作表明，一种酶对甲烷的形成可能不是必需的，因为这个过程也可以通过纯化学机制发生。“由活性氧物种引发的甲烷形成最有可能发生在所有生物体中，”科学家们在30多个模型生物中验证了活性氧物种驱动甲烷的形成，包括细菌、古菌、酵母、植物细胞和人类细胞系。
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16年前，马克斯·普朗克公司的研究人员发现，在存在氧(有氧)的情况下，植物会释放甲烷。然而，最初的结果受到了质疑，因为甲烷的生成无法用当时现有的植物知识来解释。当研究人员观察到真菌、藻类和蓝藻(以前的蓝绿藻)也在有氧条件下形成甲烷时，酶的活动被认为是原因。然而，研究人员从未在这些生物体中发现相应的酶。海德堡大学的地球科学家Frank Keppler说:“因此，这项研究是我们了解环境中有氧甲烷形成过程的一个里程碑。”Keppler补充说:“这种普遍的机制也解释了我们之前关于植物释放甲烷的研究的观察结果。”
高细胞活性导致更多的甲烷
正如研究人员现在能够利用枯草芽孢杆菌证明的那样，在代谢活动和甲烷生成的程度之间存在着密切的联系。代谢活动，特别是在氧的影响下，导致细胞中活性氧的形成，包括过氧化氢和羟基自由基。在与必要元素铁的相互作用中，会发生芬顿反应——这是还原铁和过氧化氢之间的反应，导致高度活性的四价铁化合物和羟基自由基的形成。
后者分子驱动甲基化硫和氮化合物(如蛋氨酸)的甲基自由基的裂解。在甲基自由基与氢原子随后的反应中，最终生成了甲烷。所有的反应都可以在试管的生理条件下发生，并由细胞代谢产生的ATP和NADH等生物分子显著增强。
氧化应激促进甲烷的生成
由物理和化学因素引发的额外的氧化应激，例如更高的环境温度或添加活性氧形成物质，也会导致被检测生物中甲烷生成的增加。相比之下，添加抗氧化剂和清除自由基减少了甲烷的形成——这种相互作用可能控制着有机体中甲烷的形成。
因此，这项研究也有助于解释为什么某种生物的甲烷产量会有几个数量级的差异，以及为什么压力因素特别影响甲烷产量。气候变化引起的环境和温度条件的变化可能会影响许多生物的应激水平，从而影响它们在大气中的甲烷排放。相反，呼吸中甲烷含量的变化可能表明细胞代谢中与年龄或压力相关的变化。
Journal Reference:
Leonard Ernst, Benedikt Steinfeld, Uladzimir Barayeu, Thomas Klintzsch, Markus Kurth, Dirk Grimm, Tobias P. Dick, Johannes G. Rebelein, Ilka B. Bischofs, Frank Keppler. Methane formation driven by reactive oxygen species across all living organisms. Nature, 2022; DOI: 10.1038/s41586-022-04511-9
