新发现的氢小体：牛瘤胃微生物如何影响大气甲烷
沈泽珺/《量子杂志》
每头奶牛体内都是一片生机勃勃的生态系统。在其肠道深处，有一个名为瘤胃的巨大发酵腔，这里栖息着一个强大的微生物组，每日可消耗多达45公斤饲料。这个胃囊内，数千万细菌搜寻纤维、淀粉及其他营养残渣，分解纤维素与蛋白质。微生物真菌会伸出援手，用酶类消解坚硬的细胞壁；而这一切都受纤毛虫的调控——这类体型较大的掠食性微生物以吞噬细菌为生。
这个复杂的食物网将大量化合物转化为奶牛新陈代谢的能量，几乎没有浪费：就连发酵产生的氢气和二氧化碳，也会被这个黑暗、温暖、无氧环境中的“机会主义者”利用。这些“机会主义者”是瘤胃中的产甲烷菌，它们的代谢产物是甲烷——一种强效的温室气体，其吸热能力早已臭名昭著。
由此，奶牛的体内世界拥有了全球意义。包括奶牛、山羊和绵羊在内的反刍动物，排出的甲烷约占大气中甲烷总量的三分之一。综合垃圾填埋场和化石燃料产生的甲烷来看，这种气体在过去150年间导致的全球升温占比约为30%。不过它有一个弱点：分解速度远快于二氧化碳。正因如此，奶牛排放的甲烷吸引了全球研究者的目光。他们深入研究牲畜特有的胃部结构，试图找出甲烷产生的生物学机制，从而有望在我们的有生之年减缓全球变暖。
《科学》杂志近期发表的一项研究揭示了一个藏在细胞膜中的线索。研究者对450种纤毛虫（瘤胃中的顶级捕食者）进行了基因组测序，追踪到一种科学界此前未知的细胞器，它在将原子重组为致暖化合物的生化过程中至关重要。由于该细胞器会产生氢气，而产甲烷菌会将氢气转化为甲烷，研究者将其命名为“氢体”（hydrogenobody）。
乳制品行业非营利性贸易组织乳业管理公司的肠道甲烷研究员胡安·特里卡里科（Juan Tricarico）并未参与这项研究，他表示：“这些发现为管控这一普遍存在的暖化源头提供了新思路。仅仅针对产甲烷菌可能远远不够。”
他补充道，要理解微观生物如何引发全球尺度的变化，还需进一步厘清瘤胃微生物食物网的关系，以及它们产生甲烷的具体机制。“我们想搞清楚这些微生物赖以生存的环境条件。”
甲烷的生成过程
尽管纤毛虫的研究已有一个多世纪，但与数量庞大得多的细菌相比，它们在奶牛肠道生态系统中的作用一直被忽视。微生物学家知道，纤毛虫是瘤胃中体型最大的单细胞生物。在显微镜下，它们的纤毛如同纤细的扫帚，扫动细胞外的区域，将细菌扫入“口部”并推动其移动。驱动这些纤毛需要大量能量，而能量产生过程会释放氢气，随后被细菌和古菌（包括产甲烷菌）消耗。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的瘤胃微生物学家罗德·麦基（Rod Mackie）并未参与这项新研究，他说：“整个瘤胃系统进化程度极高，具有高度协同性和共生性，进化的目的就是消耗所有产生的氢气。而产甲烷古菌通过将氢气主要转化为甲烷来实现这一点。”
为了更深入了解瘤胃纤毛虫在甲烷排放中的具体作用，微生物学家转向了基因组学研究。2021年，俄亥俄州立大学的瘤胃微生物学家于中堂（Zhongtang Yu）完成了首个瘤胃纤毛虫的基因组测序，该物种名为Entodinium caudatum，其属类占牲畜瘤胃中纤毛虫总量的约90%。几年后，于中堂协助另一个团队完成了另外52种瘤胃纤毛虫的基因组测序——这是一个不错的开端，但远不足以代表奶牛微生物组中纤毛虫的多样性。
因此，当2026年《科学》杂志上的这项研究公布450个新的纤毛虫基因组序列时，整个瘤胃微生物学界为之震惊。（该研究的作者大多来自中国科学院或南京农业大学，未回应《量子杂志》的采访请求。）这些基因组已被纳入数据库，供所有研究者访问和研究。
研究作者率先在基因组中搜索产甲烷酶的基因序列，包括催化氢气生成的氢化酶。他们发现，部分纤毛虫的氢化酶与已知的所有同类酶都不同。定位这些特殊酶的实验还发现，它们所处的位置也非同寻常：就在细胞膜边缘。
几种主要纤毛虫物种的电子显微镜图像揭示了原因。在细胞膜内侧、纤毛根部，分布着一些简单结构，每个结构都被一层膜包裹，内部含有氢化酶。这些纤毛虫似乎拥有一种专门为纤毛供能的细胞器——也就是新发现的氢体。
马克·贝兰/《量子杂志》
芝加哥大学的细胞生物学家、荣誉退休教授亚伦·特克维茨（Aaron Turkewitz）并未参与这项研究，他表示：“从最基本的定义来说，细胞器是一种具有特定功能的膜结合结构，其分子特征与细胞内其他结构截然不同。氢体和细胞核、线粒体一样符合这一定义。发现新的细胞器相当令人兴奋。”
研究作者进一步观察发现，不同纤毛虫体内的氢体数量存在差异。特里卡里科说，按微生物的标准来看，等毛目（Isotrichs）这类纤毛虫“体型巨大”，全身覆盖着类似毛发的纤毛，细胞膜上的氢体数量也多得多，为纤毛提供能量。而内毛目（Entodinomorphs）体型较小，仅在特定区域长有纤毛和氢体。特里卡里科指出，不同类型的纤毛虫在瘤胃中占据不同生态位，就像草原上的狮子和猎豹扮演着不同的捕食者角色。
在氢体内，氢化酶不仅在产氢过程中发挥作用，还会消耗氧气。这对产甲烷菌也有帮助，因为氧气会抑制它们的活性。因此，氢体除了为产甲烷菌提供原料，还能帮助维持瘤胃的无氧环境，让它们得以大量繁殖。
这些产氢细胞器似乎是甲烷生成谜题的一部分，但为了确认这一点，研究者需要验证它们是否会显著影响甲烷产量。为此，他们使用一种名为“头箱”的气体测量装置，对100头奶牛的甲烷排放量进行了测量——正如其名，这是一个套在奶牛头部、用于测量甲烷嗳气的箱子。随后，他们分析了奶牛瘤胃中等毛目和内毛目纤毛虫的组成。结果发现，体内等毛目纤毛虫（即氢体）更多的奶牛，甲烷排放量远高于瘤胃微生物组以内毛目为主的奶牛。
于中堂表示，科学家长期以来一直怀疑纤毛虫与甲烷排放有关。这项新研究从机制层面证实了这一猜想，为从源头解决牲畜甲烷排放问题提供了新思路。
从细胞器到大气层
在瘤胃微生物组中，细菌对奶牛的消化至关重要，但纤毛虫可能并非必需。如果科学家和养殖户能在不过度影响消化的前提下，去除或减少瘤胃中的纤毛虫，就能减少奶牛嗳气，从而降低甲烷排放。
特里卡里科说，这一基本想法可以追溯到几十年前，当时瘤胃微生物学家提出，将牲畜瘤胃中的所有原生动物（包括纤毛虫在内的单细胞原生生物类群）清除，或许是一种潜在的甲烷减排策略。但就像珊瑚礁或草原生态系统一样，移除捕食者会导致整个生态系统失衡。麦基说，实验中发现，清除原生动物后，细菌会呈指数级增长，产生更多氢气和甲烷。而这项新研究有助于找出哪些原生动物（如等毛目）比其他种类更“麻烦”——产氢更多，从而提供了更精准的干预目标。
另一种可能性是将多余的氢气从产甲烷菌那里引开。事实上，瘤胃中的其他微生物也会消耗氢气但不产生甲烷，不过产甲烷菌的竞争力很强。它们聚集在纤毛虫表面，紧邻氢体，能优先获取氢体释放的氢气。特里卡里科表示，既然新研究阐明了这一过程，“科学家们实际上可以开始将这些氢体本身作为额外的干预目标”。
以Bovaer为例，这是一种广受欢迎的饲料添加剂，可减少奶牛的甲烷排放（即降低嗳气中的甲烷含量）。这种名为3-硝基氧基丙醇的合成化合物会干扰产甲烷酶的作用，但并非对所有奶牛、饲料和环境都能持续起效。特里卡里科说：“这项研究实际上可以解释它在某些情况下效果不佳的原因。通过详细揭示甲烷生成机制，我们可以创造更有利的条件，让益生菌（或Bovaer等饲料添加剂）发挥更好的作用。”
尽管这项研究是瘤胃微生物学领域的一大突破，但仍存在一些局限。麦基说：“这篇论文虽然重要，但在与甲烷生成的关联上仍有巨大空白。头箱实验有一定帮助，但并未彻底阐明不同纤毛虫物种或氢体本身对甲烷排放的具体贡献。值得注意的是，作者并未说明实验奶牛的饮食——这是影响微生物产甲烷的关键因素，因为不同饲料会产生不同量的氢气。”
不过，这项研究已经启发麦基探索新的研究方向。他说：“我之前关注的是不同细菌和产甲烷菌之间的氢转移，现在我认为应该关注跨界氢转移，即细菌、古菌、真菌和原生动物之间的氢转移。”
通过研究支撑这些过程的基础生物化学机制，科学家可以优化我们管控甲烷的方法——从微观的细胞器，到繁忙的生态系统，再到广阔的大气层。
生物学前沿
