科學家等待了兩年半以觀察細菌是否能吃岩石

本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點

對於一種以其豐富性、永續性和極低價格而聞名的物質來說，泥土仍然存在一個持久的謎團：它從何而來？

一般來說，它位於地質學、氣象學和時間的交匯點。岩石透過風化作用變成泥土。但這對於人類來說，必然是一個難以觀察的過程。

長期以來，人們一直認為生命以某種方式參與其中（在地球上，很少有事物與生命無關），科學家們也證明了這在理論上是可能的。但實際上沒有人真正觀察到普通型別的鐵矽酸鹽大陸岩石發生這種情況，這可能是由於風化作用的反應速度相對於科學家的職業生涯速度存在令人痛苦的巨大差距。

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威斯康星大學麥迪遜分校、布里斯托大學和賓夕法尼亞州立大學的勇敢科學家們加入了進來，他們決定進行一項為期兩年半的實驗，以觀察微生物生命在多大程度上能夠應對岩石。為了使這成為可能，他們必須想出加速時間的方法。

一種方法是找到風化速度快的岩石。波多黎各里約伊卡科斯流域下方的里約布蘭科石英閃長岩基巖風化速度異常快，這使其成為在可發表的時間尺度內進行實驗的誘人目標。科學家們從路塹中採集了純基岩樣本，以及從上方鑽入地層的長管土壤和岩石。這些巖芯中包含了過渡帶，即破碎的基岩與新生土壤脈絡交替的區域，一個有點奇怪地被稱為“rindlet”帶的區域（遺憾的是，它並沒有產生任何在99美分袋中出售的鬆脆美味的東西）。

科學家們發現，在最深層的土壤中，ATP——一種由代謝細胞產生的化學物質——比土壤的任何其他部分都更豐富，除了地表，那裡有植物和動物掉落的營養垃圾以及充足的氧氣，為旺盛的生長提供燃料。所以那裡正在發生一些事情。問題是：是什麼？

尋找電子

如果生物風化確實正在發生，那麼這涉及到電子。電子是帶負電的粒子，圍繞原子核執行。原子中的電子數量經常變化。含有更多電子的版本被稱為還原態，而含有較少電子的版本被稱為氧化態。

所有生物都在玩弄電子，通常是透過從糖類和其他還原性有機化合物（我們稱之為“食物”的東西）中剝離電子，並使用這些電子透過細胞呼吸為它們的細胞提供能量。但一些微生物可以使用簡單的無機化合物或原子作為電子來源。那些可以使用石頭作為電子來源的微生物被稱為巖養生物。它們吃岩石。

富含還原鐵的礦物質，如黃鐵礦（愚人金）、黑雲母和角閃石，是潛在的細菌食物。電子剝離對這些礦物質造成的物理變化應該會啟動它們的化學溶解過程——即風化作用。這應該在顯微鏡下可見，表現為某種物理變化。

因此，科學家們將他們高度易風化的岩石和富含微生物的土壤帶回家，並透過研磨岩石進一步加速了程序，增加了其表面積。他們將碎巖與微生物混合在一起。

然後他們等待著。

等待著。

又等待著。

兩個生日、兩個聖誕節和兩個所得稅申報截止日期過去了。他們仍然在等待。

終極慢食

30個月後，他們將樣品放在顯微鏡下觀察。與微生物一起孵育的礦物質看起來粗糙或有凹坑——彷彿它們是被浸泡在酸中，而不是細菌中——在它們864天的孵育之後。相比之下，無菌對照礦物質保持著鋒利、光滑的邊緣。

科學家們還在包含微生物的混合物中檢測到豐富的ATP，表明正在進行盛宴。請記住：除了碎巖之外，絕對沒有任何東西可以享用。

另一個謎團仍然存在：是誰在吃岩石？當科學家們檢查樣品中微生物的DNA時，他們幾乎只發現了細菌。令人驚訝的是，培養物中缺少真菌。與樹根結合併產生許多常見森林蘑菇的菌根真菌，也因其在土壤中開採岩石顆粒的能力而聞名，正如我幾年前與Radiolab討論的那樣。科學家們認為，rindlet帶中的真菌食物量要麼不足以支援這些真菌，要麼他們的實驗中的培養條件不足以支援最初樣本中可能存在的任何真菌。

他們發現的巖養細菌具有一種特殊的能力：從體外的鐵原子中獲取電子的能力。也就是說，它們可以在不吞嚥食物的情況下進食。細菌透過一種稱為外部電子轉移的技術“攝取”電子。這至關重要，因為鐵原子是礦物質的一部分，細菌沒有撬棍或其他方法來撬開它們。但這樣做還有另一個好處：如果在氧化之前攝入鐵原子，微生物就會充滿鐵鏽，這可能是一種致命且絕對令人尷尬的情況。

因此，細菌似乎確實能夠啟動和加速造土過程。在陸地上，土壤支撐植物，植物支撐著幾乎所有其他事物。透過這種方式以及許多其他方式，生命會反饋，產生我們今天看到的地球，在這個地球上，沒有表面仍然未被殖民，而生命消失的高度和深度仍然未知。

參考文獻

Napieralski, Stephanie A., Heather L. Buss, Susan L. Brantley, Seungyeol Lee, Huifang Xu, 和 Eric E. Roden. "微生物化學自養介導花崗岩基岩的氧化風化作用." 美國國家科學院院刊 116, no. 52 (2019): 26394-26401.