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，卻一直是個(gè)謎?？茖W(xué)家試圖用地質(zhì)學(xué)和氣象學(xué)知識(shí)在時(shí)間的維度上，解釋這個(gè)神秘的問(wèn)題，并推斷巖石通過(guò)風(fēng)化反應(yīng)形成泥土。但對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程很難觀測(cè)。
長(zhǎng)期以來(lái)，人們都相信，有生物參與了這個(gè)過(guò)程，科學(xué)家們也從理論上證實(shí)了這個(gè)可能性。然而，從沒(méi)有人真正在常見(jiàn)的硅鐵大陸巖石中，觀察到生命的存在。畢竟，相對(duì)于科學(xué)家的職業(yè)生涯來(lái)說(shuō)，巖石的風(fēng)化反應(yīng)實(shí)在是太漫長(zhǎng)了。
找到易風(fēng)化的巖石及土壤細(xì)菌
盡管如此，美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校、布里斯托爾大學(xué)和賓夕法尼亞州立大學(xué)的科學(xué)家們決定開(kāi)展一項(xiàng)為期2年半的實(shí)驗(yàn)，研究微生物在這類(lèi)巖石上的生存能力。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，他們必須想出加快巖石風(fēng)化這個(gè)過(guò)程的方法。
一種方式就是要找到風(fēng)化速度快的巖石。而他們也確實(shí)找到了，就是位于里奧伊卡科斯(Rio Icacos)流域下的石英閃長(zhǎng)巖基巖，這種巖石風(fēng)化異?？?。研究人員意識(shí)到，這或許是一個(gè)比較理想的研究樣本，能讓他們?cè)谟?jì)劃的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)?？茖W(xué)家們從一個(gè)路塹上采集了純凈的基巖樣本，也就是土壤以及其下方的巖石。這些土壤和巖石區(qū)域之間還存在一個(gè)過(guò)渡區(qū)域。在這里，斷裂的基巖與新生土交替存在。這個(gè)區(qū)域有個(gè)奇怪的名稱(chēng)叫“rindlet”地帶。
他們發(fā)現(xiàn)，在最深層的土壤中，ATP(由細(xì)胞代謝產(chǎn)生的三磷酸腺苷)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(dòng)，但究竟是什么呢?
如果其中確實(shí)存在生物風(fēng)化反應(yīng)，那這一過(guò)程中會(huì)涉及電子轉(zhuǎn)移嗎?電子是一種帶負(fù)電荷的粒子，能?chē)@原子核運(yùn)動(dòng)。原子中的電子數(shù)會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化。原子含有較多的電子會(huì)處于還原態(tài)，含有較少的電子則處于氧化態(tài)。
所有生物都需要獲取電子以維持生命活動(dòng)，它們通常會(huì)從糖和其他還原態(tài)的有機(jī)化合物(也就是食物)中獲得電子，然后在細(xì)胞呼吸中利用這些電子產(chǎn)生能量。有些微生物還可以利用簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)化合物或原子，作為電子來(lái)源。而利用石頭作為電子來(lái)源的生物被稱(chēng)為化能自養(yǎng)菌，它們能以吃巖石為生。
富含還原態(tài)鐵的礦物如黃鐵礦、黑云母和角閃石，是細(xì)菌的潛在食物。由于電子被剝奪，這些礦物可以產(chǎn)生化學(xué)分解過(guò)程即風(fēng)化，并伴隨著外形的改變。這種變化能在顯微鏡下觀察到。因此，科學(xué)家們把更易風(fēng)化的巖石和含有微生物的土壤帶回實(shí)驗(yàn)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。
“吃”石頭的或是化能自養(yǎng)菌
在30個(gè)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(yǎng)后顯得參差不齊、坑坑洼洼，就好像被酸腐蝕了一樣。相比之下，對(duì)照組的巖石(沒(méi)有微生物)保留著鋒利、光滑的邊緣。
他們?cè)诤形⑸锏膸r石混合物中，檢測(cè)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(gè)謎團(tuán)是：誰(shuí)在吃巖石?當(dāng)他們檢查樣本中微生物的DNA時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些微生物幾乎都是細(xì)菌，卻沒(méi)有真菌。研究人員認(rèn)為，要么是這一區(qū)域的“食物”數(shù)量不足以支持真菌生存，要么是他們實(shí)驗(yàn)中的培養(yǎng)條件，無(wú)法支持樣本中最初存在的真菌繼續(xù)存活。
此外，他們還發(fā)現(xiàn)這些化能自養(yǎng)菌確實(shí)有一種特殊的能力：從外界的鐵原子中獲取電子。這些細(xì)菌通過(guò)一種叫做胞外電子轉(zhuǎn)移的方式來(lái)攝取電子。這種方式還有另一個(gè)好處，這些微生物能避免氧化的鐵原子在體內(nèi)富集，進(jìn)而避免了一種潛在的致命威脅。因此，細(xì)菌或許真能啟動(dòng)并加速巖石風(fēng)化成為泥土的過(guò)程。
