自從安東尼·範·列文虎克在顯微鏡下首次觀察到細菌以來的幾百年裡，我們人類最關心的是這些生物對我們做了什麼。然而，最近，科學家們開始研究微生物如何影響我們的環境——事實證明，這些細菌做了很多事情。在大約過去的 35 億年裡，微生物一直存在於地球上，它們不斷地幫助塑造地球：它們分解岩石，構成礦床，併產生從電流到甲烷氣體等副產品。此外，它們通常在最不適宜的環境中這樣做。
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地球的地形不斷地被微生物群落的活動塑造。科學家現在知道，細菌分解岩石，構成礦床，併產生從電流到甲烷氣體等副產品。
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“如果它們不讓我們生病，那麼我們通常會忽略所有這些細菌，”堪薩斯大學的詹妮弗·羅伯茨·羅傑斯說，“但是在我們腳下的岩石中，存在著大量的細菌生物量。”研究人員現在估計，生活在地球地下 4000 米深度的原核生物（細菌和古菌）的總數為約 3.8 X 1030 個細胞。（相比之下，一個普通人體內大約含有 1015 個細胞。）“如果你想大膽一點，你可以認為細菌無處不在，”羅傑斯說。“所以你可以認為細菌在所有地方都有參與，無論直接還是間接，都參與到地質迴圈中。”
當涉及到地質活躍的微生物群落時，最有趣的是那些在沒有氧氣的情況下生存且不依賴光合作用的群落。第一個得到充分研究的例子存在於諸如黃石公園的溫泉和沿大洋中脊的“黑煙囪”等惡劣環境中，這些地貌從硫磺堆中噴出 80 攝氏度的水。這些所謂的極端微生物在 20 世紀 90 年代聲名鵲起，它們依賴高溫和硫磺生存。它們的發現首次提出了地球上生命可能開始的新方式。
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硫磺洞穴
德克薩斯大學奧斯汀分校的地球化學家莉比·斯特恩和同事菲利普·貝內特現在研究懷俄明州洛弗爾附近一個洞穴中的硫化環境，斯特恩說這個洞穴類似於大洋中脊上的熱液噴口生態系統。“這個洞穴沒有陽光；這個生態系統是化能自養的，”她說。“沒有光合作用，只有化學作用。生命來源於岩石和地下水的化學作用。”
各種各樣的微生物在黑暗的洞穴中茁壯成長。斯特恩指導的研究生安妮特·薩默斯·恩格爾說，她根據微生物的代謝活動將它們分成了六到七個不同的群體。一條富含硫化氫的溪流穿過洞穴的中心。“在水流進來的地方，它是厭氧的，所以微生物是厭氧菌，”她說。“在幾米之內，只有好氧微生物在菌席的表面生長。我們正在談論一個 10 或 15 米的延伸，而且微生物菌席更加複雜。”在一個茶匙的空間內，氧氣的含量在垂直和水平方向上都發生變化。在兩毫米內，恩格爾觀察到了不同的微生物群落層。
斯特恩說，洞穴微生物的碳比例顯示出與光合作用相關的碳比例非常不同的值——她將這種差異歸因於這些化能自養細菌使用的不同的 CO2 固定方式。“它們組織中產生的有機物，”她補充說，“可能是這個過程的生物標誌物。”這種生物標誌物可能使地質學家能夠確定在岩石沉積時存在哪些型別的生命，並且還可以提供當時環境條件的一瞥。
白雲石之謎
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白雲石在許多你期望發現這種礦物的地方都缺失，包括海水。然而，正如科學家在 1995 年瞭解到的那樣，在缺氧、富鹽環境中，硫酸鹽還原菌是產生白雲石所必需的。 |
微生物學顯然至少解決了一個地質謎題：白雲石——一種由鈣、鎂和碳酸鹽晶體組成的柔軟、白色、玻璃狀礦物。按理說，世界應該被這種物質覆蓋。巨大的白雲石礦床確實在美中西部以及歐洲和墨西哥的部分地區形成了沉積岩。但是在許多你期望發現這種礦物的地方——例如，海水通常含有過量的必要成分——它完全缺失了。
“白雲石在岩石記錄中隨處可見，但在現代低溫環境中很少出現，”羅傑斯說。“有一些非常特殊的環境，高鹽環境中確實會形成白雲石沉澱，”例如里約熱內盧。但是很難找到現在正在形成白雲石的地方，更不用說解釋過去大型礦床的速率了。
1995 年，瑞士 ETH-中央地質研究所的克里索戈諾·瓦斯孔塞洛斯和他的同事似乎解決了缺失白雲石礦床的難題，他們在《自然》雜誌上發表了一篇具有里程碑意義的論文，記錄了這種礦物在實驗室環境中是如何形成的。神奇的成分？微生物。同一小組的後續論文指出，硫酸鹽還原菌與缺氧、富鹽環境中白雲石的形成之間存在聯絡。
瓦斯孔塞洛斯的同事之一朱迪思·麥肯齊提出，白雲石應被視為一種生物礦物，因此並非完全無機。“這是關於白雲石如何在數百萬年前的地質時期沉澱的線索，”羅傑斯補充說。“如果它一直是以這種方式沉澱的，那麼可能當時有更多的細菌來完成這項工作，或者如果情況發生了足夠的變化，白雲石沉澱在現代 [時期] 的低溫下實際上會以與地質時期不同的方式發生。”
從地球上的細菌到太空中的生命
關於地質活躍的微生物，還有很多東西需要了解。在加州理工學院的黛安·紐曼實驗室，科學家們正在努力確定微生物如何透過例如從針鐵礦中的鐵中收集電子來依靠無機礦物質生存。紐曼說，目前，“關於它們用來做到這一點的酶知之甚少，更不用說哪些基因編碼這些酶了。”微生物活動也可能影響我們的大氣和海洋，她說。“你可以從海底一直到外層大氣，並試圖弄清楚影響全球變暖的微量氣體是否來自微生物學。”
在去年 12 月的美國地球物理聯合會 (AGU) 會議上，華盛頓大學西雅圖分校的海洋學家約翰·德萊尼（熱液噴口生態學研究的主要貢獻者）談到了關於微生物生物圈的“概念轉變”。他指出，“在 11 個案例中的 11 個案例中，都發現水下火山大量噴發生物物質”，並且使這些極端微生物能夠在這種條件下生存的酶“可能對製藥和工業過程產生深遠的影響”。現在專注於天體生物學的德萊尼認為，板塊構造以我們尚未理解的方式調節著海洋微生物生物圈，而我們的海洋可能蘊藏著宇宙其他地方的生命樣貌。
羅傑斯說，岩石記錄中的“生物印記”將使地質學家能夠確定可用營養物質、全球碳迴圈和成岩作用（從舊岩石中製造新岩石的速度），不僅在我們星球上，而且在其他星球上。“我們或許能夠使用玄武岩作為代理來找到生命的痕跡，”她說，因為微生物可能與它的風化迴圈密切相關。回到地球上，她的研究側重於土壤中的細菌或可用於生物修復的細菌。她發現，在存在無機礦物質的情況下，一些細菌可能會更快地分解溢油的有機化合物。“當你遇到低溫或環境溫度，而不是深海噴口溫度，而是常規環境時，”她說，“我認為細菌可能是岩石風化和分解的主要機制，因為它們能夠克服動力學障礙。”
根據美國微生物學會本月釋出的關於“生物圈和地圈之間的介面”的報告，這些微小的細菌可能會“影響整個地球”。這個領域仍然非常廣闊，可能會為環境災難提供實際解決方案，或者為生命的起源提供答案。正如德萊尼所說，“關於還有什麼有待發現，人們知之甚少。”