土卫二上的微生物能靠远古有机物为生吗？

土卫二（Enceladus）是土星的一颗冰质小卫星。NASA的卡西尼号任务揭示，它的冰壳之下隐藏着一片全球性的液态水海洋，并穿越了从其南极喷发的喷流——这是人类首次分析来自地球以外液态水环境的物质。喷流中含有大量氢气（H₂）和甲烷（CH₄）。

主流解释与这颗卫星的岩石内核有关。在地球上，热水与某些岩石反应——即蛇纹石化（serpentinisation）——会释放氢气；在热液喷口，被称为产甲烷菌的微生物把氢气和二氧化碳结合生成甲烷。土卫二上也可能发生同样的过程。

但这里有个难题。要在数十亿年间持续补充通过喷流损失的氢气，岩石反应需要在很长时间里保持旺盛——而它所消耗的矿物可能早得多就会耗尽。会不会有别的东西在为这片海洋提供养分？

来自太阳系初期的食物

人们认为，外太阳系天体是由富含有机物的物质形成的，就像彗星和富碳陨石。从小行星贝努（Bennu）和龙宫（Ryugu）带回的样本含有氨基酸、糖类和其他有机物。土卫二的内核可能也含有这类物质，并在缓慢地溶入海洋。

在没有光、没有氧气的海洋里，依靠有机物生存的一种方式是发酵：它释放能量，既不需要氧气，也不需要其他外部化学物质来“呼吸”。亚利桑那大学的萨姆·纳斯雷尔丁（Sam Nasreldine）和雷吉斯·费里埃（Régis Ferrière），与苏黎世联邦理工学院、伦敦大学玛丽女王学院、伦敦自然历史博物馆、艾克斯-马赛大学和巴黎国家自然历史博物馆的同事一起，选择了一个简单的测试案例：甘氨酸，最简单的氨基酸。发酵甘氨酸会产生氢气、乙酸盐和氨。在地球深海喷口中，已知存在能发酵甘氨酸的微生物。

一个有三类微生物的虚拟喷口

团队模拟了生活在土卫二海底热液喷口周围的一个小型群落，那里炽热的流体与海水混合：

• 甘氨酸发酵菌，产生氢气和乙酸盐；
• 以氢为食的产甲烷菌，把氢气和CO₂转化为甲烷；
• 以乙酸盐为食的产甲烷菌，把乙酸盐转化为甲烷。

模型追踪每一类微生物能获取的能量、它的生长，以及它如何为其他微生物改变水环境。团队针对三种情景——岩石几乎不产生氢气或甲烷、供应有限、供应较强——各运行了30,000组随机条件，并把输出的气体量与卡西尼号的测量值比较：每年约12亿至74亿摩尔氢气和3亿至16亿摩尔甲烷。

假说：海底发酵原始有机物的微生物为产甲烷的伙伴提供养分（a）；模型中三类微生物如何相互关联、如何组合（b）。——图1，Nasreldine等（2026），arXiv:2610.13434。

以乙酸盐为食者胜出

• 在岩石几乎不提供帮助的情况下，只要有足够多类似甘氨酸的物质到达喷口，仅靠发酵就能重现卡西尼号的两项气体测量值。
• 在岩石供应有限的情况下，30,000次运行中，含乙酸盐消费者的有91次、含全部三类微生物的有91次同时与两种气体吻合。只有氢消费者的组合则一次也没有。统计比较在超过90%的情况下支持含乙酸盐消费者的群落。

原因很简单：以氢为食者消耗的恰恰是本该逸入喷流的氢气。以乙酸盐为食者生成甲烷，却不动用氢气。在供应有限的情景中，每一次运行里，以氢为食者都被挤出了最终的群落。

模型还显示，生命改变了自身的栖息地：在第一种情景三分之二的运行中，发酵在喷口周围开辟了产甲烷菌可以生长的新区域。

食物有多少？

一个粗略的上限估计认为，土卫二最初的甘氨酸储量最多约为1.3 × 10¹⁷千克——如果全部可供微生物利用，足以在2亿至14亿年间提供观测到的氢气。

问题在于：效果最好的模拟需要的溶解有机物，比贝努样本中的甘氨酸含量所允许的更多。即使全部溶解，浓度仍会低于模型的要求。因此，这一情景依赖于存在其他可发酵的化合物，或者仍有一些额外的氢气来自岩石。

一个可检验的预测

作者并不把发酵当作生命存在的证据，而是将其作为一种可检验的替代解释。如果发酵确实在进行，喷流中还应含有乙酸盐和铵，并且甲烷的碳同位素应带有它的印记。他们强调了模型的局限：只有一种发酵菌，没有模拟从海底到喷流的过程，假定营养物质充足——而且非生命的化学过程也可能产生同样的气体。