生命，要么呼吸氧氣，要么不呼吸氧氣——這條寫進(jìn)教科書的鐵律，剛剛被一種來自美國黃石公園的細(xì)菌給徹底顛覆了！

你沒看錯(cuò)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種“跨界”生命體，它就像一輛可以同時(shí)燒油又充電的混合動(dòng)力汽車，居然能一邊進(jìn)行我們熟悉的高效“有氧呼吸”，一邊運(yùn)行著古老的“無氧呼吸”。這不僅僅是簡單的切換模式，而是兩種本應(yīng)水火不容的代謝系統(tǒng)，在它體內(nèi)和諧共存，甚至還因此長得更快、更壯。

這到底是什么樣的“迷之操作”？它又是如何打破這個(gè)生命科學(xué)的基本悖論的？今天，讓我們一起深入黃石公園的滾滾熱泉，揭開這個(gè)“代謝奇跡”的神秘面紗。

◆ 01 悖論：氧氣，天堂與地獄一線之隔

在我們深入這個(gè)故事之前，必須先理解一個(gè)核心矛盾：氧氣，既是天堂的饋贈(zèng)，也是地獄的毒藥。

對(duì)于我們?nèi)祟愡@樣的好氧生物來說，沒有氧氣就無法生存。氧氣就像火種，點(diǎn)燃我們體內(nèi)的能量工廠，高效地產(chǎn)出能量。

但對(duì)于地球上許多古老的厭氧微生物而言，氧氣卻是致命的毒藥。它會(huì)破壞這些微生物賴以生存的精密生化機(jī)器，讓它們的無氧呼吸系統(tǒng)瞬間癱瘓。

因此，生命世界一直遵循著一條清晰的界線：要么擁抱氧氣，成為“光明世界”的居民；要么躲避氧氣，在深海、泥土等“黑暗角落”里靠硫、硝酸鹽等物質(zhì)呼吸。

兩者擇其一，是刻在生命基因里的生存法則。

然而，來自蒙大拿州立大學(xué)的埃里克·博伊德（Eric Boyd）教授和他的團(tuán)隊(duì)，在黃石公園一個(gè)名為“路邊西泉”（Roadside West spring）的地方，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“規(guī)則破壞者”——Hydrogenobacter RSW1。這個(gè)小家伙，竟然在天堂與地獄之間走出了一條無人走過的路。

◆ 02 破局：一場“我全都要”的代謝實(shí)驗(yàn)

為了弄清楚這個(gè)細(xì)菌到底有多“秀”，科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里為它精心設(shè)計(jì)了一場代謝大戲：

第一幕：純無氧環(huán)境

科學(xué)家只給它提供氫氣（食物）和硫磺（無氧呼吸的“氧氣替代品”）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這個(gè)細(xì)菌確實(shí)能進(jìn)行無氧呼吸，產(chǎn)生硫化氫。但奇怪的是，它雖然活著并能產(chǎn)生能量（ATP），卻不生長繁殖。就像一輛原地怠速的汽車，引擎在轟鳴，卻一步也不往前開。

第二幕：純有氧環(huán)境

拿走硫磺，換上氧氣。細(xì)菌立刻開始正常生長，和我們預(yù)想的一樣，是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的好氧生物。

高潮：有氧+無氧，雙重火力全開！

最關(guān)鍵的一幕來了?？茖W(xué)家同時(shí)給它提供了氫氣、氧氣和硫磺。奇跡發(fā)生了！細(xì)菌不僅像第二幕那樣利用氧氣快速生長，竟然還同時(shí)像第一幕那樣利用硫磺產(chǎn)生了硫化氫！

更讓人震驚的是，在這種“雙核驅(qū)動(dòng)”模式下，它的生長速度和最終達(dá)到的細(xì)胞數(shù)量，都顯著超過了只用氧氣的“單核”模式。

所以它壓根不做選擇題，而是豪橫地說“我全都要”，并且因此變得更強(qiáng)！

為了排除是“先用完氧氣再用硫磺”的可能性，研究人員在實(shí)驗(yàn)中不斷補(bǔ)充氧氣，但硫化氫的產(chǎn)生從未停止。最終，基因?qū)用娴摹拌F證”也來了：負(fù)責(zé)有氧呼吸的cox基因和負(fù)責(zé)無氧硫呼吸的sreA基因，在細(xì)菌體內(nèi)是同時(shí)開啟的。

至此，生命悖論被徹底打破！

◆ 03 啟示：頂級(jí)玩家的生存智慧與活化石的遠(yuǎn)古回響

一個(gè)微小的細(xì)菌，為何要進(jìn)化出如此復(fù)雜甚至看似矛盾的生存策略？這背后隱藏著深刻的智慧。

首先，這是頂級(jí)玩家的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)沖策略。

黃石公園的熱泉環(huán)境極其動(dòng)蕩，地下噴出的缺氧熱泉水與富含氧氣的地表空氣在這里劇烈混合，導(dǎo)致氧氣濃度忽高忽低。對(duì)于生活在這里的微生物來說，氧氣是一種“不穩(wěn)定”的資源。而RSW1細(xì)菌的策略堪稱完美：當(dāng)氧氣充足時(shí)，它就火力全開，高效產(chǎn)能；當(dāng)氧氣不足時(shí)，它那永不停歇的無氧呼吸系統(tǒng)就成了“備用發(fā)電機(jī)”，保證細(xì)胞最基本的能量供應(yīng)和存活。

這不僅是生存，更是面對(duì)不確定環(huán)境的頂級(jí)智慧。

其次，它可能是一扇望向遠(yuǎn)古地球的窗口。

在20多億年前的“大氧化事件”中，地球從一個(gè)缺氧世界逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀兘裉斓臉幼?。?duì)于當(dāng)時(shí)的厭氧生命來說，那是一場浩劫。這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌，或許為我們模擬了遠(yuǎn)古生命是如何應(yīng)對(duì)那場危機(jī)的。一種能夠同時(shí)利用硫和初生微量氧氣的“雙料”生命，無疑在那個(gè)混亂的過渡時(shí)代擁有巨大的演化優(yōu)勢。

所以，它，可能就是一枚揭示生命演化關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的“活化石”。

這個(gè)小小的細(xì)菌告訴我們，生命遠(yuǎn)比我們想象的更堅(jiān)韌、更靈活、更富有創(chuàng)造力。教科書里的“鐵律”，只是我們當(dāng)前認(rèn)知下的總結(jié)，而廣闊的自然界，永遠(yuǎn)有準(zhǔn)備好顛覆這一切的意外驚喜。

下一次當(dāng)你深呼吸時(shí)，或許可以想一想，就在這個(gè)星球的某個(gè)角落，有一個(gè)小生命，正在一口氧氣，一口毒氣，用它的方式，講述著一個(gè)跨越天堂與地獄的生命傳奇。

這項(xiàng)研究發(fā)表在今年1月27日《自然-通訊》雜志上。

參考文獻(xiàn):

Keller, L. M., Colman, D. R. & Boyd, E. S. Simultaneous aerobic and anaerobic respiration in hot spring chemolithotrophic bacteria. Nat Commun 16, 1063 (2025).