圖片來源：Napieralski et al. 2019

豐富如斯，恒久如斯，廉價如斯——泥土究竟是怎么誕生的卻一直都是一個謎。

科學(xué)界用地質(zhì)學(xué)和氣象學(xué)的知識在時間的維度上解釋了這個神秘的問題：巖石通過風(fēng)化反應(yīng)形成泥土。但是，對于人類來說，這個過程很難觀測。

長期以來，人們都相信，生命參與了這個過程（在地球上，生命活動幾乎無處不在），科學(xué)家們也從理論上證實(shí)了這個可能性。然而，從沒有人在常見的硅鐵大陸巖石中觀察到生命的存在。畢竟，相對于科學(xué)家們快節(jié)奏的職業(yè)生涯來說，風(fēng)化反應(yīng)的過程實(shí)在是太漫長了。

盡管如此，來自威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校（University of Wisconsin-Madison）、布里斯托爾大學(xué)（University of Bristol）和賓夕法尼亞州立大學(xué)（Pennsylvania State University）的一群大無畏的科學(xué)家們決定進(jìn)行一項(xiàng)為期兩年半的實(shí)驗(yàn)，來研究微生物在巖石上的生存能力。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，他們必須想出使巖石風(fēng)化這個過程“快進(jìn)”的方法。

一種方法就是要找到風(fēng)化反應(yīng)快的巖石。而科學(xué)家們也確實(shí)找到了一種，那就是位于波多黎各里約伊卡果斯（Rio Icacos）流域下的里約布蘭科石英閃長巖（Rio Blanco Quartz Diorite）基巖。這種基巖風(fēng)化異常的快，這使其成為一個誘人的實(shí)驗(yàn)對象，因?yàn)榭茖W(xué)家們將有望在發(fā)表的預(yù)計(jì)時間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)?？茖W(xué)家們從一個路塹上采集了純基巖的樣本，也從上面鉆入地層的土壤和巖石長管中采集了樣本。這些巖心中包括一個過渡帶，在這里，斷裂的基巖與新生土脈交替，這個區(qū)域有個奇怪的名稱叫“部分風(fēng)化帶”。

圖片來源：Napieralski et al. 2020

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在最深層的土壤中，ATP（新陳代謝的細(xì)胞產(chǎn)生的一種化學(xué)物質(zhì)）的豐度僅次于土壤表層（植物和動物丟棄的營養(yǎng)垃圾和豐富的氧氣為旺盛的生長提供了養(yǎng)料）。也就是說，在土壤底層一定進(jìn)行著一些生命活動，那么究竟是什么呢？

如果生物風(fēng)化反應(yīng)確實(shí)發(fā)生了，那么電子在其中有什么作用呢。電子是圍繞原子核運(yùn)動的帶負(fù)電荷的粒子。原子中的電子數(shù)常常是變化的。含有較多電子的原子是還原態(tài)的，而含有較少電子的原子是氧化態(tài)的。

所有生物都需要“騙取”電子以維持生命，通常是通過將電子從糖和其他還原態(tài)的有機(jī)化合物(我們稱之為“食物”)中剝奪出來，然后利用這些電子通過細(xì)胞呼吸為細(xì)胞提供能量。但有些微生物可以利用簡單的無機(jī)化合物或原子作為電子源。能夠利用石頭作為電子來源的生物被稱為無機(jī)營養(yǎng)菌，它們以吃巖石為生。

富含還原態(tài)鐵的礦物，如黃鐵礦(愚人金)、黑云母和角閃石，是細(xì)菌的潛在食物。由電子剝離引起的這些礦物的物理變化可以啟動其化學(xué)溶解過程——即風(fēng)化。這樣的物理變化應(yīng)該能在顯微鏡下觀察到。

因此，科學(xué)家們把高度可風(fēng)化的巖石和含有微生物的土壤帶回去，通過研磨巖石，增加其表面積，進(jìn)一步加速風(fēng)化進(jìn)程。他們把碎石和微生物混合在一起。

30個月后，他們把樣本放在顯微鏡下。與微生物一起培養(yǎng)的礦物質(zhì)在864天的培養(yǎng)后顯得參差不齊、坑坑洼洼,就好像它們是被酸而非被細(xì)菌腐蝕成這樣的。相比之下，無菌對照組的礦物質(zhì)則保留了鋒利、平滑的邊緣。

細(xì)菌氧化。圖片來源：Napieralski et al. 2020

無細(xì)菌對照組。圖片來源：Napieralski et al. 2020

科學(xué)家們還在包括微生物在內(nèi)的混合物中檢測到豐富的ATP，這表明它們正在享受盛宴。而且請記住：除了碎石頭之外，絕對沒有其它什么可以享用的。

另一個謎團(tuán)仍然存在：誰在吃巖石？當(dāng)科學(xué)家們檢查樣本中的微生物的DNA時，他們發(fā)現(xiàn)這些微生物幾乎都是細(xì)菌。令人驚訝的是，在這些培養(yǎng)物中竟然沒有真菌。幾年前我在Radiolab討論過，菌根真菌與樹根相關(guān)，并產(chǎn)生許多我們熟悉的森林蘑菇，它們也因在土壤中挖掘巖石顆粒的能力而聞名。

科學(xué)家們認(rèn)為，要么是“部分風(fēng)化帶”中真菌食物的數(shù)量不足以支持這種真菌，要么是他們實(shí)驗(yàn)中的培養(yǎng)條件不足以支持最初樣本中可能存在的任何真菌。

他們發(fā)現(xiàn)無機(jī)營養(yǎng)細(xì)菌確實(shí)有一種特殊的能力：從外界的鐵原子中獲取電子。也就是說，它們可以在不吞咽食物的情況下“吃”東西。這種細(xì)菌通過一種叫做外部電子轉(zhuǎn)移的技術(shù)來“攝取”電子。這是至關(guān)重要的，因?yàn)殍F原子是礦物的一部分，細(xì)菌沒有撬棍或其他方法來撬松它們。但這樣做還有另一個好處，因?yàn)槿绻谘趸皵z入鐵原子，微生物就會充滿鐵銹，這是一種潛在的致命且絕對令人尷尬的情況。

因此，細(xì)菌確實(shí)能夠啟動并加速巖石變成泥土的過程。在陸地上，泥土孕育著植物，植物支持著幾乎所有其它的東西。就這樣，生命進(jìn)行回饋，產(chǎn)生了我們今天所看到的這個星球。在這個星球上，生物的足跡無處不在，上至多高、下至多深，都未可知。

撰文： Jennifer Frazer，一位科學(xué)寫作者，美國科學(xué)促進(jìn)會(AAAS)科學(xué)新聞獎得主。她擁有生物學(xué)、植物病理學(xué)、真菌學(xué)和科學(xué)寫作學(xué)位。

翻譯：董夢圓

審校：郭曉

引進(jìn)來源：科學(xué)美國人

引進(jìn)鏈接：https://blogs.scientificamerican.com/artful-amoeba/scientists-waited-two-and-a-half-years-to-see-whether-bacteria-can-eat-rock/


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