進入21世紀后，人們逐漸意識到生物甲烷的形成過程遠比這個故事復(fù)雜得多。產(chǎn)甲烷古菌并不是唯一能夠產(chǎn)生甲烷的細菌，而且反應(yīng)條件并不局限于缺氧環(huán)境。從藻類和藍藻到多細胞真菌和植物，越來越多的證據(jù)表明多種需氧生物都可以產(chǎn)生甲烷。但這些生物體究竟如何產(chǎn)生甲烷仍然未知。

在本周發(fā)表在《自然》 雜志上的一項新研究中，德國海德堡大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個團隊提出了一個改變游戲規(guī)則的想法：所有生物，包括人類，都是甲烷的產(chǎn)生者。這一結(jié)論不僅讓我們重新認識甲烷在生命過程中的作用，也將為許多領(lǐng)域帶來新的見解。

早在8年前，該團隊就在論文《自然·通訊》中描述了通過非生物途徑產(chǎn)生甲烷的三步過程。簡單來說，這個反應(yīng)不需要酶的參與，主要原料只有三種：活性氧（ROS）、游離鐵和合適的甲基供體。

整個反應(yīng)過程并不復(fù)雜：首先，ROS（該反應(yīng)使用過氧化氫）與亞鐵離子反應(yīng)，產(chǎn)生高度還原的羥基自由基（·OH）；然后，羥基自由基與甲基供體反應(yīng)，形成甲基自由基(·CH3)；最后，甲基自由基與氫自由基(·H)結(jié)合生成甲烷分子。

在實驗室揭示了這種甲烷生成過程后，研究小組提出了一個大膽而有趣的想法。在活體中，這些原料并不少見（例如，包括過氧化氫在內(nèi)的ROS也在細胞中不斷產(chǎn)生和釋放，游離鐵和甲基供體也是常見的代謝產(chǎn)物），細胞環(huán)境也與上述有關(guān)實驗室反應(yīng)條件相似。那么，這種產(chǎn)甲烷過程也能發(fā)生在生物體中嗎？

這種無需酶參與就能產(chǎn)生甲烷的反應(yīng)，展示了細胞內(nèi)的過程（圖片來源：參考文獻[2]）

在最新的研究中，研究團隊首先使用枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）來測試這一猜想。該細菌的生命周期由兩個狀態(tài)組成：休眠和生殖生長，因此可以將其作為對照來研究代謝過程是否可以產(chǎn)生甲烷。

實驗結(jié)果非常明確：在含有甲基供體二甲亞砜（DMSO）的培養(yǎng)基中，在沒有任何酶參與的情況下，枯草芽孢桿菌在生殖生長期且代謝旺盛時能夠持續(xù)產(chǎn)生甲烷，而在休眠期細菌不產(chǎn)生甲烷。

隨后的控制變量實驗表明，這些細菌可用的甲基供體和游離體的含量在調(diào)節(jié)最終甲烷產(chǎn)量方面也發(fā)揮著重要作用。特別值得注意的是，除了新陳代謝更強之外，當氧化應(yīng)激發(fā)生時，即過量的ROS導(dǎo)致細胞無法維持氧化還原平衡，細菌甲烷的產(chǎn)生也會增加。

進一步的實驗證實，不僅僅是枯草芽孢桿菌可以通過這個過程產(chǎn)生甲烷。從以前被認為不會產(chǎn)生甲烷的其他古細菌，到酵母和粘菌等真菌；從代表植物界的葡萄到人類來源的細胞系（人胚胎腎細胞），它們都可以在DMSO培養(yǎng)基中產(chǎn)生甲烷，并且在氧化應(yīng)激條件下甲烷產(chǎn)量更高。因此，研究表明，也許所有經(jīng)歷新陳代謝的生物體都可以通過這個普遍的過程在其細胞內(nèi)繼續(xù)產(chǎn)生甲烷。

實驗室中不同生物細胞產(chǎn)生的甲烷濃度（圖片來源：參考資料[1]）

如果這一猜想最終得到證實，那么一系列的生命活動有望得到新的解釋。在生物體中，當新陳代謝產(chǎn)生的ROS大量積累時，可能會對DNA、RNA和蛋白質(zhì)等重要分子造成損害。這個新發(fā)現(xiàn)的過程可能是消除多余ROS的一種方法。

論文通訊作者之一、海德堡大學(xué)教授Frank Keppler 表示：“我們的發(fā)現(xiàn)將成為理解有氧甲烷產(chǎn)生的里程碑。這種一般機制也將解釋之前在植物中觀察到的現(xiàn)象?！?

值得注意的是，在之前的研究中，即使是同一個生物體，不同個體的甲烷產(chǎn)量也可能存在幾個數(shù)量級的差異。最新研究揭示的機制或許可以解釋這一現(xiàn)象。 ——產(chǎn)生極高的甲烷可能是因為個體正在進行活躍的代謝活動。

可以說，這一意外的發(fā)現(xiàn)在廣泛的領(lǐng)域都具有重大意義。在醫(yī)學(xué)上，細胞中過量的甲烷以及通過組織擴散可以表明細胞應(yīng)激、氧化還原失衡等。“呼吸中甲烷的波動可以反映氧化應(yīng)激水平或指向免疫系統(tǒng)，”開普勒教授說。在氣候領(lǐng)域，目前還不清楚這一過程產(chǎn)生的甲烷是否會對全球氣候產(chǎn)生影響。但我們很清楚，這種常見氣體的發(fā)現(xiàn)將為我們了解自己和世界打開一扇全新的窗戶。