伯尔尼大学的研究人员与来自澳大利亚和新西兰的科学家合作，在实验室中重现了一个重要的过程，该过程使生物体能够直接从空气中提取能量。这证实了某些生物体，例如细菌，确实可以仅靠空气生存，而无需依赖阳光或其他能源。该发现为可持续能源生产开辟了新的可能性。
氢气在大气中仅以痕量气体的形式存在，浓度仅为0.00005%。尽管每年新增氢气量高达70万吨（主要来自光化学过程和人为活动），但其浓度几乎保持不变。这种浓度恒定的原因长期以来一直不明，但现在已知，大部分氢气被土壤中的微生物（例如细菌）吸收，这些微生物利用氢气作为能源。一种称为氢化酶的特殊酶能够从空气中捕获这些极其稀少的氢分子，并将其转化为能量。
伯尔尼大学的研究人员与奥塔哥大学、昆士兰科技大学、莫纳什大学和墨尔本大学的同事合作，首次在实验室中成功复制了生物体利用大气氢气产生能量的理论过程。该研究成果刚刚发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，首次证实了这一过程的实际存在，并解释了某些生物体为何能够在没有太阳能或其他能源的情况下长期生存。
氢气和氧气反应生成水并释放能量。
在化学课上，这种能量释放过程通常用氢氧反应来演示。将两份氢气和一份氧气混合在一个气球中并点燃。反应会产生一声巨响，并生成水。这声巨响表明，这两种气体的结合蕴含着丰富的能量，但需要以热的形式提供初始能量。伯尔尼大学化学、生物化学和药学系的研究组组长、该研究的发起人和资深作者克里斯托夫·冯·巴尔莫斯解释说：“本质上，同样的反应也发生在细菌细胞中。然而，细菌细胞中的反应受到酶的严格控制和催化，并且不需要初始点燃。细菌中的反应至少分为三个步骤，以便将释放的能量以细胞能量ATP的形式储存起来，而不是像氢氧反应实验中那样以热的形式散失。”
ATP（三磷酸腺苷）是细胞内最重要的能量来源，用于多种功能，例如营养吸收、DNA和蛋白质的合成。ATP就像一块小型可充电电池，使用后可以再生。
为了验证这一理论过程是否真的能在生物体内发生，研究人员利用纯化的组分重建了一个最小的合成呼吸链。在人体内，细胞呼吸发生在线粒体中，并将食物中的能量转化为ATP。电子从富含能量的分子逐步转移到氧气上。由此释放的能量用于驱动质子循环，并通过纳米涡轮机生成ATP。
在这项研究中，研究人员构建了一个极简的合成呼吸链，该呼吸链仅由三种酶组成，并嵌入人工脂质膜中——其中一种（氢化酶）来自澳大利亚，另外两种（质子泵和纳米涡轮）来自伯尔尼。“这项实验的一个难点在于如何将蛋白质整合到膜中，以确保质子能够以正确的方向泵送，而我们最终克服了这一难点，”该研究的第二作者、伯尔尼大学化学、生物化学和药学系博士生斯特凡·莫宁说道。
这些实验支持了这样一种理论：某些生物体可以仅利用空气成分来产生自身生存所需的能量。“尽管空气中氢气的含量微乎其微，但这三种酶却能有效地保存反应产生的能量并将其转化为ATP。考虑到空气中氧气的含量是氢气的400.000万倍，这远非氢氧反应的理想条件，因此这一发现更令人印象深刻。虽然这个过程很缓慢，但正如我们所计算的那样，它足以维持生物体在能量匮乏时期的生命，”冯·巴尔莫斯说道。
“这一过程不仅解释了大气中氢气浓度为何保持恒定，也解释了为何在缺乏有机分子的南极干旱沙漠中生命依然存在，以及为何生物体能够在没有能量来源的情况下长期生存，”该研究的第一作者、伯尔尼大学化学、生物化学与药学系的前硕士研究生莎拉·苏姆解释道。人们怀疑空气中的其他痕量气体，例如一氧化碳或甲烷，也能促成类似的过程。然而，氢气的这一过程如今已首次通过实验得到证实。
氢气与氧气的反应只产生纯水作为副产品——这使得该方法成为最环保的能源生产方式之一，可与利用太阳能实现的能源生产方式相媲美。
研究人员表示，如果氢气浓度更高，ATP的生成速率可以提高数倍。“如果这一目标能够实现，例如通过光催化水分解，那么该过程将为合成生物学中的ATP生产树立新的标杆，”冯·巴尔莫斯说道。持续稳定的ATP生产至关重要，例如，对于基于酶的药物生产或理解模型系统中的生命起源都具有重要意义。
原始出版物
Soom, S. 等 (2025)。大气氢浓度驱动的 ATP 合成。PNAS。DOI：10.1073/pnas.2506353122
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