圖片來源：Napieralski et al. 2019

豐(feng) 富如斯，恒久如斯，廉價(jia) 如斯——泥土究竟是怎麽(me) 誕生的卻一直都是一個(ge) 謎。

科學界用地質學和氣象學的星空体育官网入口网站在時間的維度上解釋了這個(ge) 神秘的問題：岩石通過風化反應形成泥土。但是，對於(yu) 人類來說，這個(ge) 過程很難觀測。

長期以來，人們(men) 都相信，生命參與(yu) 了這個(ge) 過程（在地球上，生命活動幾乎無處不在），科學家們(men) 也從(cong) 理論上證實了這個(ge) 可能性。然而，從(cong) 沒有人在常見的矽鐵大陸岩石中觀察到生命的存在。畢竟，相對於(yu) 科學家們(men) 快節奏的職業(ye) 生涯來說，風化反應的過程實在是太漫長了。

盡管如此，來自威斯康辛大學麥迪遜分校（University of Wisconsin-Madison）、布裏斯托爾大學（University of Bristol）和賓夕法尼亞(ya) 州立大學（Pennsylvania State University）的一群大無畏的科學家們(men) 決(jue) 定進行一項為(wei) 期兩(liang) 年半的實驗，來研究微生物在岩石上的生存能力。為(wei) 了實現這一點，他們(men) 必須想出使岩石風化這個(ge) 過程“快進”的方法。

一種方法就是要找到風化反應快的岩石。而科學家們(men) 也確實找到了一種，那就是位於(yu) 波多黎各裏約伊卡果斯（Rio Icacos）流域下的裏約布蘭(lan) 科石英閃長岩（Rio Blanco Quartz Diorite）基岩。這種基岩風化異常的快，這使其成為(wei) 一個(ge) 誘人的實驗對象，因為(wei) 科學家們(men) 將有望在發表的預計時間內(nei) 完成實驗。科學家們(men) 從(cong) 一個(ge) 路塹上采集了純基岩的樣本，也從(cong) 上麵鑽入地層的土壤和岩石長管中采集了樣本。這些岩心中包括一個(ge) 過渡帶，在這裏，斷裂的基岩與(yu) 新生土脈交替，這個(ge) 區域有個(ge) 奇怪的名稱叫“部分風化帶”。

圖片來源：Napieralski et al. 2020

科學家們(men) 發現，在最深層的土壤中，ATP（新陳代謝的細胞產(chan) 生的一種化學物質）的豐(feng) 度僅(jin) 次於(yu) 土壤表層（植物和動物丟(diu) 棄的營養(yang) 垃圾和豐(feng) 富的氧氣為(wei) 旺盛的生長提供了養(yang) 料）。也就是說，在土壤底層一定進行著一些生命活動，那麽(me) 究竟是什麽(me) 呢？

如果生物風化反應確實發生了，那麽(me) 電子在其中有什麽(me) 作用呢。電子是圍繞原子核運動的帶負電荷的粒子。原子中的電子數常常是變化的。含有較多電子的原子是還原態的，而含有較少電子的原子是氧化態的。

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(cong) 糖和其他還原態的有機化合物(我們(men) 稱之為(wei) “食物”)中剝奪出來，然後利用這些電子通過細胞呼吸為(wei) 細胞提供能量。但有些微生物可以利用簡單的無機化合物或原子作為(wei) 電子源。能夠利用石頭作為(wei) 電子來源的生物被稱為(wei) 無機營養(yang) 菌，它們(men) 以吃岩石為(wei) 生。

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

因此，科學家們(men) 把高度可風化的岩石和含有微生物的土壤帶回去，通過研磨岩石，增加其表麵積，進一步加速風化進程。他們(men) 把碎石和微生物混合在一起。

30個(ge) 月後，他們(men) 把樣本放在顯微鏡下。與(yu) 微生物一起培養(yang) 的礦物質在864天的培養(yang) 後顯得參差不齊、坑坑窪窪,就好像它們(men) 是被酸而非被細菌腐蝕成這樣的。相比之下，無菌對照組的礦物質則保留了鋒利、平滑的邊緣。

細菌氧化。圖片來源：Napieralski et al. 2020

無細菌對照組。圖片來源：Napieralski et al. 2020

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

另一個(ge) 謎團仍然存在：誰在吃岩石？當科學家們(men) 檢查樣本中的微生物的DNA時，他們(men) 發現這些微生物幾乎都是細菌。令人驚訝的是，在這些培養(yang) 物中竟然沒有真菌。幾年前我在Radiolab討論過，菌根真菌與(yu) 樹根相關(guan) ，並產(chan) 生許多我們(men) 熟悉的森林蘑菇，它們(men) 也因在土壤中挖掘岩石顆粒的能力而聞名。

科學家們(men) 認為(wei) ，要麽(me) 是“部分風化帶”中真菌食物的數量不足以支持這種真菌，要麽(me) 是他們(men) 實驗中的培養(yang) 條件不足以支持最初樣本中可能存在的任何真菌。

他們(men) 發現無機營養(yang) 細菌確實有一種特殊的能力：從(cong) 外界的鐵原子中獲取電子。也就是說，它們(men) 可以在不吞咽食物的情況下“吃”東(dong) 西。這種細菌通過一種叫做外部電子轉移的技術來“攝取”電子。這是至關(guan) 重要的，因為(wei) 鐵原子是礦物的一部分，細菌沒有撬棍或其他方法來撬鬆它們(men) 。但這樣做還有另一個(ge) 好處，因為(wei) 如果在氧化之前攝入鐵原子，微生物就會(hui) 充滿鐵鏽，這是一種潛在的致命且絕對令人尷尬的情況。

因此，細菌確實能夠啟動並加速岩石變成泥土的過程。在陸地上，泥土孕育著植物，植物支持著幾乎所有其它的東(dong) 西。就這樣，生命進行回饋，產(chan) 生了我們(men) 今天所看到的這個(ge) 星球。在這個(ge) 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，一位科學寫(xie) 作者，美國科學促進會(hui) (AAAS)科學新聞獎得主。她擁有生物學、植物病理學、真菌學和科學寫(xie) 作學位。

翻譯：董夢圓

審校：郭曉

引進來源：科學美國人

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


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