科學家用兩年多的時間觀察細菌如何“吃掉”石頭

科學家研究發現，細菌確實能夠啟動并加速巖石風化成為泥土的過程。

我們腳下的土地面積龐大，似乎一直不變。但泥土究竟是怎么誕生的，卻一直是一個謎。科學界用地質學和氣象學知識在時間的維度上，解釋了這個神秘的問題。巖石通過風化反應形成泥土，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，有生物參與了這個過程（在地球上，生命活動幾乎無處不在），科學家們也從理論上證實了這個可能性。然而，從沒有人真正在常見的硅鐵大陸巖石中，觀察到生命的存在。畢竟，相對于科學家的職業生涯來說，巖石的風化反應實在是太漫長了。

易風化的巖石

盡管如此，威斯康辛大學麥迪遜分校、布里斯托爾大學和賓夕法尼亞州立大學的一群科學家決定進行一項為期2.5年的實驗，研究微生物在這類巖石上的生存能力。為了實現這一點，他們必須想出加快巖石風化這個過程的方法。

一種方式就是要找到風化速度快的巖石。而他們也確實找到了，就是位于里奧伊卡科斯（Rio Icacos）流域下的石英閃長巖（Rio Blanco Quartz Diorite）基巖，這種巖石風化異常地快。研究人員意識到，這或許是一個比較理想的研究樣本，能讓他們在計劃的時間內完成實驗。科學家們從一個路塹上采集了純凈的基巖樣本，也就是土壤及其下方的巖石。這些土壤和巖石區域之間還存在一個過渡區域。在這里，斷裂的基巖與新生土交替存在。這個區域有個奇怪的名稱叫“rindlet”地帶。

科學家們發現，在最深層的土壤中，ATP（由細胞代謝產生的一種化合物）的豐度僅次于土壤表層。這也意味著，在土壤底層一定存在著一些生命活動，但究竟是什么呢？

電子的來源

如果其中確實存在生物風化反應，那這一過程中會涉及電子轉移嗎？電子是一種帶負電荷的粒子，能圍繞原子核運動。原子中的電子數會經常發生變化。原子含有較多的電子會處于還原態，含有較少的電子則處于氧化態。

所有生物都需要獲取電子以維持生命活動，它們通常會從糖和其他還原態的有機化合物（也就是食物）中獲得電子，然后在細胞呼吸中利用這些電子產生能量。有些微生物還可以利用簡單的無機化合物或原子，作為電子來源。而利用石頭作為電子來源的生物被稱為化能自養菌，它們以吃巖石為生。

富含還原態鐵的礦物如黃鐵礦、黑云母和角閃石，是細菌的潛在食物。由于電子被剝奪，這些礦物可以產生化學分解過程——即風化，并伴隨著外形的改變。這種變化應該能在顯微鏡下觀察到。因此，科學家們把更易風化的巖石和含有微生物的土壤帶回實驗室，并研磨巖石，增加其表面積。隨后，他們把這些巖石和微生物混合在一起。

巖石轉變成泥土

在30個月后，他們把樣本放在顯微鏡下。這些巖石在與微生物一起培養864天后，顯得參差不齊、坑坑洼洼，就好像被酸腐蝕了一樣，見圖1。相比之下，對照組的巖石（沒有微生物）保留著鋒利、光滑的邊緣，見圖2。

他們在含有微生物的巖石混合物中，檢測到豐富的ATP，這表明它們正在享受“食物”——也就是這些巖石。而另一個謎團是：誰在吃巖石？當他們檢查樣本中微生物的DNA時，發現這些微生物幾乎都是細菌，卻沒有真菌。研究人員認為，要么是這一區域的“食物”數量不足以支持真菌生存，要么是他們實驗中的培養條件，無法支持樣本中最初存在的真菌繼續存活。

此外，他們還發現這些化能自養菌確實有一種特殊的能力：從外界的鐵原子中獲取電子。這些細菌通過一種叫做胞外電子轉移的方式來攝取電子。這種方式還有另一個好處，這些微生物能避免氧化的鐵原子在體內富集，進而避免了一種潛在的致命威脅。因此，細菌確實能夠啟動并加速巖石風化成為泥土的過程。陸地上的泥土孕育著植物，而植物幾乎支持著其他所有的生命。