瘤胃原生动物纤毛虫。 水生所供图

■本报记者 李思辉 通讯员 孙慧

牛羊打嗝、排放甲烷、全球气候变暖，这3个在一些人看来关联不大的事物，被一项科学发现紧紧绑在了一起。

中国科学院水生生物研究所（以下简称水生所）研究员缪炜团队联合南京农业大学、江汉大学、北京大学、西北工业大学等多家单位，在反刍动物瘤胃里找到了驱动甲烷排放的“幕后主角”——瘤胃原生动物纤毛虫，并首次发现一种全新的产氢细胞器“氢小体”。

这项近日发表于《科学》的研究，不仅揭示了纤毛虫与甲烷排放的关系，而且为全球畜牧业减排提供了一条全新路径。

从对一个科学猜想感兴趣，到四处采集“有味儿”的牛羊瘤胃液，再到获得改写教科书的科学发现，这背后是一群科研人员6年如一日的坚守，也是一次被审稿人“逼”出来的科学突破。

地球变暖的“隐形推手”

甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体，对全球变暖的贡献约占30%。在人为活动产生的甲烷中，牛羊等反刍动物养殖占比超过30%，是当之无愧的甲烷排放“大户”。

据估算，全球约有15亿头牛、12亿只绵羊、10亿只山羊以及其他反刍动物。两头牛一年排放甲烷造成的温室效应，约等于一辆家用小汽车全年排放造成的温室效应。数十亿只牛羊，如同一个个移动的“甲烷发生器”，持续影响着地球气候。

为什么牛羊会源源不断产生甲烷？答案就藏在它们独特的消化系统里。缪炜介绍，反刍动物有4个胃，第一个胃叫瘤胃，相当于一个恒温、密闭、持续发酵的“生物反应器”。瘤胃中生活着海量微生物，包括原核的细菌和产甲烷菌，以及真核的纤毛虫和真菌等。这些不同的微生物协同工作，分解草料中的纤维素，最终生成甲烷。

长期以来，科学界把目光锁定在产甲烷菌上，因为它是甲烷的直接生产者。但一个关键事实一直被忽略：瘤胃纤毛虫的生物量最多，占瘤胃微生物总量的一半以上。多年前有实验发现，移除瘤胃纤毛虫，甲烷排放可减少35%。但纤毛虫影响甲烷产生的机制始终是一个谜。

缪炜团队的猜想是，产甲烷菌只是“执行者”，而纤毛虫是重要的“调控者”。解开纤毛虫的秘密，可能给畜牧业甲烷减排开辟新方向。

在瘤胃里捕捉看不见的“小虫”

一项研究牛羊的课题，为何由水生所牵头破题？

水生所是中国原生动物学的发源地之一。几代学者的积累与传承，使水生所团队在原生动物研究方面形成了国际领先的实力，特别是在纤毛虫研究方面。

2020年，在南京农业大学教授毛胜勇和西北工业大学教授邱强等专家的建议下，缪炜团队开启了瘤胃纤毛虫与甲烷调控机制的研究。

采样是第一道难关。瘤胃纤毛虫只有几十到100多微米，比头发丝还纤细。研究对样品的新鲜度和活性要求极高。团队主要采用活体无创采样方法：在养牛场中，首先对牛进行固定与安抚处理，随后将柔软的采样管经口腔缓慢送入瘤胃，类似胃镜操作，并通过虹吸方式抽取瘤胃内容物。每次采样通常需要获取3至5升瘤胃液。

另一部分样本来自屠宰场。团队成员常常凌晨一两点趁夜色出发，在屠宰后迅速采集牛瘤胃液。无论寒冬酷暑、刮风下雨，采样工作从未中断。面对刺鼻的发酵胃液，大家必须强忍不适，第一时间完成样品的妥善保存与处理。

冯金梅、姜传奇、谢斐和熊杰等青年学者，累计完成牛羊等动物采样上千次。

比采样更难的是分离与培养。在此之前，全球实验室几乎都无法稳定、纯培养瘤胃纤毛虫，只能混合培养，实验结果并不精准。团队在显微镜下“针尖绣花”，用微吸管挑取单个细胞，再自主搭建厌氧培养体系，突破了多种瘤胃纤毛虫的体外培养难关。

最终，团队完成450个瘤胃纤毛虫基因组测序，72%为全球首次发现，构建起全球最大、最干净的瘤胃纤毛虫基因资源库，为这项科学发现奠定了坚实基础。

单层膜氢小体改写教科书

2025年，团队将研究成果投给《科学》。审稿人高度赞赏，并提出一个极为重要的问题：纤毛虫的关键结构到底是单层膜还是双层膜？如果是单层膜，就可以确定研究者发现了一个新细胞器，意义重大。

论文共同通讯作者、水生所研究员熊杰告诉《中国科学报》，正是这个非常有建设性的审稿意见，让研究团队开启了更加细致的观察和研究。

在此之前，生物学教科书明确写道：所有产氢细胞器都由线粒体衍生而来，是双层膜结构。

团队利用七八个月的时间重新采样、优化实验，并借助水生所和北京大学的电镜平台进行高精度观测。

当电镜图像清晰呈现时，所有人都为之震撼：在纤毛虫的细胞膜下方、纤毛之间，整齐分布着一个个微小的细胞结构，它们都只有一层膜。中国科学院院士赵进东为这个全新的细胞器起了个新名字——“氢小体”。

这一发现打破了几十年的普遍认知，产氢细胞器不一定来自线粒体，单层膜的内膜系统也能形成产氢细胞器。有评论指出：“这一结论改写了生物学教科书。”

随着氢小体的发现，纤毛虫调控甲烷的完整机制也被彻底破译。氢小体与纤毛相伴而生，多毛型纤毛虫的氢小体数量最多可达少毛型的60倍以上。

缪炜介绍，氢小体一方面用独特氢酶产氢，为产甲烷菌提供“食物”；另一方面用独特氧还原酶快速除氧，为产甲烷菌创造“最舒适”的厌氧环境。简单说，纤毛虫细胞表面纤毛覆盖区域越大，氢小体含量就越多，产甲烷菌产生的甲烷也就越多。

这一发现提出了一条新的畜牧业减排路径。通过调控瘤胃内多毛型纤毛虫的比例，或靶向抑制氢小体相关的氢酶、氧酶，就可能在不影响牛羊健康与消化的前提下，显著降低甲烷排放，同时减少饲料能量损失。

从恶臭瘤胃里寻宝到取得开创性成果，从微观细胞器到全球气候治理，科学家完成了一次“从0到1”的原创突破，为全球应对气候变化、发展绿色畜牧业贡献了中国智慧。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adv4244