探索地球最古老的固碳机制

探索地球最古老的固碳机制

随着全球气候变化的加剧，固碳机制成为了科学研究的热点。固碳微生物作为地球碳循环的关键参与者，其作用机制和多样性正在被科学家们深入研究。本文将带你探索地球最古老的固碳机制，了解它们在应对气候变化中的重要作用。

气候变化的主要原因是人类活动导致地球“碳”循环失衡。减少碳排放或转化温室气体是科学家的重要研究方向。然而，大自然本身就有碳封存机制，因此了解地球“碳”循环机制也是解决气候变化的关键。

海洋、森林、土壤通过不同形式将“碳”储存为“碳汇”，使碳封存在环境或生物体中，以平衡二氧化碳释放至大气中的碳排放。微生物是地球碳汇与碳排的直接或间接贡献者。有些微生物能氧化或还原温室气体，有些则能利用“固碳酶”增加碳汇。因此，在农业与工业应用中，科学家希望找到增加或维持生态中固碳微生物多样性的管理方法。未来还可以通过分离关键固碳微生物或用合成生物学改造固碳微生物，增加碳汇并减少碳排放。

固碳在生命起源及早期地球环境中的作用

每个生物都需要“碳”养分，但并非所有生物都以摄取糖类作为“碳”养分。自养生物可将二氧化碳（无机碳）转变为糖类或生化反应的核心物质（如乙酰辅酶A，acetyl-CoA）有机碳，如同把空气游离的二氧化碳固定成养分，因此称为固碳。科学家通过分子演化、同位素数据、生化机制等研究推测，古老的生命（微生物）可能通过固碳作用获取自身所需的碳养分。此外，通过地球从古到今的空气比例、元素循环数据，固碳微生物改变了整个地球环境。

养分循环对地球生物圈至关重要，就像住宅区的生活功能供给居民食衣住行一样。我们需要了解其机制，以便保护生物多样性、了解养分循环如何被破坏，以及未来如何应用。自然界中有6种固“碳”作用，我们熟悉的光合作用中的卡尔文循环（Calvin cycle）只是其中一种。为什么需要不同种类的固碳作用？这是因为地球生态环境非常多元，不同地区的氧气浓度、元素浓度、光照强度都不同。因此，有些固碳作用的酶不需要光作为能量来源，有些可以在厌氧环境，有些可以使用不同金属作为制造酶的核心材料等。

蓝碳、绿碳与黄碳

碳汇可分为蓝碳（海洋）、绿碳（森林）与黄碳（土壤）。蓝碳汇的关键就是微生物，像蓝绿菌可以自己固碳，或是与藻类、海洋动物共生固碳；在森林绿碳汇中，与地衣共生的固碳微生物、土壤的固碳微生物都是间接或直接帮助绿碳的幕后推手。研究蓝碳与绿碳的主要目的，就是我们不希望它们被破坏而导致储存的碳被释放（如森林砍伐或栖地被破坏等）。

另一方面，土壤碳汇常被忽略，却是孕育现今生物多样性的最大推手。由于粮食生产和人类活动，我们必须不断扰动土壤，就会使黄碳不稳定。如何维持粮食产量，同时增加土壤碳汇，是黄碳研究的难点之一。土壤有复杂的化学、物理、生物特性，因此科学家用不同研究方法探讨黄碳形成机制，其中固碳微生物就是形成黄碳的原因之一。土壤中可能同时蕴藏6种具有固碳酶（只是比例与位置不同）的微生物群。近期实验指出，黄碳可以藉由土壤中固碳微生物产生，而且产生的是稳定的土壤碳汇，不会轻易被释放出去；深土层的异养菌分解石化污染物所产生二氧化碳，也有对应的固碳微生物，能进一步将“碳”固定下来。平时我们脚底下的土壤就有许多微生物默默为地球碳循环作出贡献。

碳汇可分为蓝碳（海洋）、绿碳（森林）与黄碳（土壤）。图片来原：本文作者提供

伍德-隆达尔代谢途径

第一个产氧光合生物-蓝绿菌改变了整个地球空气组成。地球主要有2次氧气浓度急剧上升大事件，分别是大氧化事件（great oxidation event, GOE）与新元古代氧化事件（Neoproterozoic oxygenation event）。这2个大事件都与产氧光合生物有关（固碳+产生氧气）。然而古代地球与现今许多生态环境是无氧的，在产氧光合作用出现之前，厌氧的伍德-隆达尔代谢途径（Wood–Ljungdahl pathway）被认为是古代地球主要（甚至最早生命）的固碳作用。

1932年伍德（Harland G. Wood）与隆达尔（Lars G. Ljungdahl）发现，产乙酸细菌可以固定二氧化碳产生乙酰辅酶A（时间比卡尔文循环更早）。目前科学家发现伍德-隆达尔代谢途径主要有3个固碳子途径，每个途径都从固定二氧化碳最终合成乙酰辅酶A。而其中的主要途径只要2个步骤（CO2→CO→乙酰辅酶A）就可以合成乙酰辅酶A。不仅如此，伍德-隆达尔代谢途径固定二氧化碳所需要的三磷酸腺苷（adenosine triphosphate, ATP）远低于其他固碳途径。以生化反应的角度来说是一件很惊人的事情。要知道我们需要摄取与分解糖类、蛋白质、脂质来转化为乙酰辅酶A，才能进一步产生生命所需的ATP。而这些微生物只需要简单又节能的步骤就可以产生。

伍德-隆达尔代谢途径示意图。图片来原：Yikrazuul／wikipedia.org

目前的同位素数据显示，地球可能在39.5亿年前就有伍德-隆达尔代谢途径；分子演化与生化机制相关研究更是推测“最后共同祖先（last universal common ancestor）”可能就有伍德-隆达尔代谢途径。这样新的科学文献将过去已知的最早生命时间推到更古老的年代。然而，这个固碳作用在现今的地球还是很活跃。利用总体基因组定序方法（一个可以侦测环境所有生物的技术），科学家发现海底火山、极端环境、动物肠道、土壤、地下水等厌氧的环境，都可以看到许多可以利用伍德-隆达尔代谢途径固碳的微生物。即使在厌氧的生态区域，以伍德-隆达尔代谢途径固碳的微生物也成为了碳汇的贡献者。

未来方向与技术

其实每种固碳作用都是非常复杂的，再加上科学家都还未能完整分析不同环境的微生物，地球不同生态的固碳微生物还有待我们理解。透过现今的总体基因组定序技术，科学家有可能侦测环境的所有固碳微生物。但是困难就在于我们有可能採集所有的环境样品吗？庞大的基因组数据有可能全部分析完吗？由基因组分析的机制可以解释碳汇的消长吗？这需要跨领域科学与研究人力的投入。总之，我们知道固碳微生物改变整个地球环境，而如今我们希望可以透过了解固碳微生物，再次改变（我们人类已经破坏的）地球环境。

本文原文来自台湾科技媒体