一些生活在几乎缺氧的海洋部分的微生物是如何茁壮成长的？

一些生活在几乎缺氧的海洋部分的微生物是如何茁壮成长的？这些区域被称为海洋缺氧区(ODZ)，它们夹在富氧表面和深层之间。在发表在《PNAS》期刊上的研究中，他们报告说，墨西哥沿海热带太平洋的ODZ是微生物的家园，它们使用一种已知对人类呼吸有害的化合物：砷。

基于砷的呼吸：早期地球的遗迹

长期以来，科学家们确定海洋中的砷含量较低。早在生命开始的时候，据说地球的空气和海洋中几乎没有氧气。在植物变得丰富并开始将二氧化碳转化为氧气之前，这个过程被称为光合作用。不同的生命形式依靠其他元素获取能量。这些元素充当电子受体，可以从食物中获取能量。古代最常用的氧替代品是氧化氮、硫和砷。

砷是一种在许多矿物中发现的元素，它以无机形式存在时对人类有剧毒。这种半金属天然存在于地壳、空气和水中。缺氧期，据说海洋中砷含量高。即使在今天，一些国家的地下水仍然受到无机砷的污染。(相关：污水中的砷增加甲型H1N1流感的易感性。)一些海洋微生物配备了基因，使它们能够利用砷等含砷化合物“呼吸”。砷酸盐是天然存在的，通常对铁矿石有毒，在水中保持完整。当砷酸盐污染环境中的微生物缺氧时，它们会激活一种机制，将它们转化为砷酸盐可吸入的生物。这种无氧呼吸模式使他们能够将亚砷酸盐转化为亚砷酸盐，亚砷酸盐是一种毒性更大、水溶性更好的无机砷形式。这些微生物通常通过这一过程释放出被砷污染的饮用水。

虽然砷含量很低，但吸入砷的微生物还是会在上呼吸道的ODZs中繁殖。

据研究人员介绍，在许多现代缺氧海洋系统中，砷的浓度高于亚砷酸盐。然而，砷的这种热力学不平衡的原因仍然不清楚。研究人员没有想到在海洋ODZ中发现砷代谢的证据，这表明微生物对砷物种的生物转化可能是不平衡的原因。

在2012年的一次研究航行中，研究人员在东热带北部和南太平洋的ODZ采集了海水样本，并提取了DNA样本进行基因分析。他们确定了编码两种微生物酶的两个亚单位的基因，即呼吸亚砷酸氧化酶AioA和异化亚砷酸还原酶ArrA。这些酶使微生物能够利用砷作为能量，与依赖硫而不是氧气进行呼吸的微生物所使用的酶类似。

研究人员写道：“砷呼吸基因在ETNP和ETSP)ODZ的转录组文库中表达，表明砷营养是缺氧海水柱中积极利用的代谢途径。”

他们还认为，砷基代谢在海洋环境中发挥着重要作用，因为它们支持有机物质的产生，并影响现代海洋中氮的生物地球化学循环。这进一步表明，砷的呼吸途径在环境中可能比以前认为的更常见。

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