南极的冬季极其漫长而严酷，黑暗几乎笼罩一切。气温长期处于冰点以下，在很多区域，太阳从四月消失，要到八月才重新升起。在没有阳光的条件下，依赖光合作用的生命形式，例如植物、苔藓和藻类，都无法通过常规方式获取能量。
然而，这并不代表生命在这里就此停滞。
一项最新研究发现，在极寒环境中，南极的微生物依然能够维持能量获取，即便是在低至零下20摄氏度的空气中也不例外。这一发现让人们对生命在极端环境下的适应能力有了更深的认识，同时也为理解气候变化对这些微小生态系统的影响提供了重要线索。
早在几年前，科学家就已经发现，大量南极微生物能够利用极低浓度的大气气体来获取能量。这种方式依赖一种特殊机制，通过高度敏感的酶系统捕捉空气中极其稀薄的氢气和一氧化碳，从而维持自身代谢。这种“从空气中觅食”的能力，使它们在资源极度匮乏的极地土壤中占据了独特优势。
不过，科学界一直不清楚，这种能量获取方式在多低的温度下仍然能够运作。换句话说，这些微生物是否能够依靠这种机制熬过南极漫长的冬天，一直是个未解之谜。
为了寻找答案，研究人员在近几年间从东南极多个区域采集了表层土壤样本，并在实验室中进行了细致分析。他们测量了微生物利用大气气体的速率，同时还提取并测序了土壤中的全部微生物DNA，以确认其中包含哪些物种、具备哪些功能基因，以及它们可能采用的能量来源。
实验结果显示，无论是在接近夏季的约4摄氏度环境，还是在模拟冬季的零下20摄氏度条件下，这些微生物都能够持续利用氢气和一氧化碳获取能量。这说明，这种代谢方式不仅在较温暖的季节有效，在全年都可以持续进行。
更令人惊讶的是温度的上限。南极土壤的实际温度很少超过20摄氏度，但研究人员却发现，这些微生物在高达75摄氏度的环境中仍然能够从氢气中获取能量。这意味着，它们虽然适应了极寒环境，却并不被局限于低温条件，其生理能力远比想象中更为灵活。这样的现象，就像是在热带雨林中看到企鹅依然能够生存一样令人意外。
为了验证这些过程不仅存在于实验室条件下，研究团队还将实验设备带到了南极现场。他们直接采集新鲜土壤，将样本密封在容器中，并同步采集气体数据。这是首次在自然环境中明确观察到，这些微生物确实在持续消耗空气中的氢气来维持自身活动。
进一步的基因分析表明，南极土壤中的绝大多数微生物都具备利用氢气获取能量的遗传能力，许多还拥有从空气中固定碳的相关基因。这意味着，它们不仅能够获取能量，还可以合成新的有机物质。
在生态系统中，这类能够自行制造有机物的生物被称为“初级生产者”。在大多数陆地环境中，这一角色通常由植物承担，通过光合作用将阳光和二氧化碳转化为能量和有机物，从而支撑整个食物链的运转。
但在南极的干燥寒冷土壤中，光合作用极为有限。相比之下，这些依靠大气气体生存的微生物，很可能在许多区域承担起了基础生产者的角色。与依赖阳光的系统不同，这种代谢方式可以全年进行，而且不依赖液态水，这在极地环境中尤为关键。
研究还进一步探讨了气候变化可能带来的影响。模拟结果显示，在温室气体排放较低的情景下，这些微生物利用大气氢气的能力可能提升约4%；而在排放水平较高的情况下，这一增长幅度可能达到35%左右，一氧化碳的变化趋势也大致类似。
虽然氢气本身并不是温室气体，但它在大气化学过程中扮演着重要角色，会影响包括甲烷在内的一些温室气体在空气中的停留时间。因此，这些微生物的活动变化，可能间接影响全球气候系统。
从更宏观的角度来看，土壤系统（包括其中的微生物）承担了全球约82%的氢气消耗，是地球氢循环中的关键组成部分。南极虽然环境极端，但其微生物活动依然是这一全球过程的重要一环。
当然，温度只是影响微生物活动的众多因素之一。未来气候变化如何综合作用于这些复杂的生态系统，还有待进一步研究。这项工作为理解南极微观生态的适应能力提供了新的视角，也为探索生命在极端环境中的边界提供了重要线索。
本文译自：theconversation，（编译 / 整理：olaola）
封面图片：unsplash/Jean Pierre