氢气是地球生物化学仲裁者！

氢气的生物地球化学，氢气是微生物的化学仲裁者

从生命起源到今天，氢气在生物地球化学中发挥着重要的和不断的作用。在最早的地球上，氢气的非生物来源可能比现在更强。由于推测较高的热通量，火山的排气和热液循环可能以现代速度的几倍发生。

39亿年前以来，由于地幔氧化状态保持不变，火山喷发的氢气组分很可能被缓冲到接近现代值的水平，如果早期地幔还原程度更大，那么在此之前氢气组分可能更高。早期未分异地壳的主要超镁铁质特征可能导致了蛇纹岩化和热液循环释放氢气的增加，就像现代超镁铁质的喷口一样。同时，氢气经过化学反应大气沉降可能较弱。总体而言，这些因素表明，生物前大气中氢气的稳态水平比目前高3-4个数量级，在大撞击事件导致Fe和Ni后的瞬态期间可能还更高。这些升高的水平对大气的氧化还原状态、辐射收支、气溶胶烟雾的产生和生化前体化合物的形成有直接或间接的影响。

氢气的早期非生物循环帮助建立了地球上生命起源的环境和化学背景。氢气作为能量和还原动力的潜力，以及通过建立质子梯度提供能量存储的手段，使其在最早的代谢化学中具有高度实用的作用。一些生命理论的起源表明氢气参与了第一次能量生成代谢，而在现代生命树中氢气的广泛和深入分支的利用性质表明，生命利用氢气至少是一个非常早期的生化创新。通过水-岩相互作用的几种机制产生的非生物氢气可能支持了早期的化学合成生物圈。这样的过程为地球或太阳系其他天体的深层岩石生物圈提供了持续的可能性。

微生物之间的新陈代谢和群落水平的多样性的持续进化，导致了完全利用复杂有机物中可用能量的能力的扩展。在早期地球上普遍存在的缺氧条件下，这是通过几个代谢类生物体的相互联系和顺序的作用完成的。通过在细胞之间传输电子，氢气提供了一种将这些生物体的活动连接到一个高度功能和相互作用的网络的手段（氢气成为早期地球生命能量转化枢纽）。同时，氢气浓度对这些体系的许多代谢和生物地球化学功能具有强大的热力学控制作用。以有机物消耗为基础的厌氧群落至今仍在全球生物地球化学中发挥着重要作用。

作为大多数水生沉积物和动物消化系统的主要化学仲裁者，这些微生物影响着我们海洋和大气中的氧化还原和微量气体化学，并对进入岩石记录的物质构成最终的生物过滤器。在这些群落中，氢气调节生物地球化学功能的意义最为强烈。光营养代谢的出现增加了微生物群落的复杂性，并增加了氢气在其中的作用。无氧和有氧光养生物在代谢过程中对氢气的利用得到保留和扩展。两组都通过各种机制产生和消耗氢气。

在自然界中，通过形成生物膜和微生物席，光养生物经常与各种其他代谢类型紧密并列。在研究的少数例子中，光养生物对这些群落的氢气经济贡献很大，这对它们的整体功能有重要影响，包括调节气体产物的氧化还原状态，以及直接向环境释放大量的氢气。在地球长达20亿年的历史中，作为生物生产力的主要来源之一，这些群落一直是全球长期生物地球化学变化的最重要因素之一。

在现代地球上，氢气只在大气和海洋中以微量的水平存在。然而，氢气作为微生物相互作用和化学的仲裁者，在生物地球化学循环中具有重要的作用。

氢气在全球意义上的重要性可能很快就会增加，因为对替代燃料的寻找将注意力放在了氢燃料电池的清洁能源潜力上。氢气的利用已经在生命的所有三个系统发育领域发挥了重要作用。人类可能很快会给这种经济添加一个重要的新术语。大量的研究集中在作为这方面潜在贡献者的光养微生物和其他微生物产生氢气的能力上。无论何种来源，氢气作为能源的大规模利用都将对生物地球化学产生重要影响。

Hoehler TM. Biogeochemistry of dihydrogen (氢气). Met Ions Biol Syst. 2005;43:9-48. doi: 10.1201/9780824751999.c氢气. PMID: 16370113.