温室气体的形成是由活性氧驱动的

众所周知，甲烷是一种温室气体，由特殊微生物产生，例如在奶牛的肠道或稻田中。多年来，科学家们还观察到植物和真菌中甲烷的产生，但没有找到解释。现在，来自海德堡和马尔堡马克斯普朗克陆地微生物研究所的研究人员已经阐明了潜在的机制。他们的发现表明所有生物都会释放甲烷。

甲烷是一种强效温室气体，因此对其自然和人为生物地球化学源和汇的研究具有极大的兴趣。多年来，科学家们认为甲烷只能由称为古生菌的单细胞微生物在没有氧气（厌氧）的情况下分解有机物时产生。

现在，由 Frank Keppler 和 Ilka Bischofs领导的地球和生命科学家的合作表明，酶对于甲烷的形成可能不是必需的，因为该过程也可以通过纯化学机制发生。 “由活性氧引发的甲烷形成最有可能发生在所有生物体中，”进行这项研究的受过跨学科培训的初级研究员伦纳德·恩斯特解释说。科学家们在 30 多种模式生物中验证了活性氧驱动的甲烷形成，从细菌和古细菌到酵母、植物细胞和人类细胞系。

16 年前，当马克斯普朗克的研究人员发现在有氧（需氧）存在的情况下植物会释放甲烷时，这是一种轰动。然而，最初的结果受到怀疑，因为甲烷的形成无法用当时关于植物的现有知识来解释。当研究人员观察到真菌、藻类和蓝细菌（以前的蓝绿藻）在有氧条件下也形成甲烷时，酶活性被认为是原因。然而，研究人员从未在任何这些生物中发现相应的酶。 “因此，这项研究是我们了解环境中需氧甲烷形成的一个里程碑，”海德堡大学的地球科学家弗兰克凯普勒说。 “这种普遍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，”开普勒补充道。

高细胞活性导致更多甲烷

正如研究人员现在能够使用枯草芽孢杆菌证明的那样，代谢活动与甲烷形成程度之间存在密切联系。代谢活动，尤其是在氧气的影响下，会导致细胞内形成活性氧，包括过氧化氢和羟基自由基。在与基本元素铁的相互作用中，发生芬顿反应——还原铁和过氧化氢之间的反应，导致形成高反应性的四价铁化合物和羟基自由基。

后者分子驱动甲基自由基从甲基化硫和氮化合物例如氨基酸甲硫氨酸中裂解。在甲基自由基与氢原子的后续反应中，最终形成甲烷。所有反应都可以在试管中的生理条件下发生，并被细胞代谢产生的 ATP 和 NADH 等生物分子显着增强。

氧化应激促进甲烷形成

由物理和化学因素引发的额外氧化应激，例如较高的环境温度或添加形成活性氧的物质，也导致所检查生物体中甲烷形成的增加。相比之下，抗氧化剂的添加和自由基的清除减少了甲烷的形成——这种相互作用可能控制了生物体内甲烷的形成。

因此，该研究还有助于解释为什么某种生物体的甲烷产生量可以变化几个数量级，以及为什么压力因素特别影响产生量。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压力水平，从而影响它们的大气甲烷排放量。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。