图片来源：Napieralski et al. 2019

丰富如斯，恒久如斯，廉价如斯——泥土究竟是怎么诞生的却一直都是一个谜。

科学界用地质学和气象学的知识在时间的维度上解释了这个神秘的问题：岩石通过风化反应形成泥土。但是，对于人类来说，这个过程很难观测。

长期以来，人们都相信，生命参与了这个过程（在地球上，生命活动几乎无处不在），科学家们也从理论上证实了这个可能性。然而，从没有人在常见的硅铁大陆岩石中观察到生命的存在。毕竟，相对于科学家们快节奏的职业生涯来说，风化反应的过程实在是太漫长了。

尽管如此，来自威斯康辛大学麦迪逊分校（University of Wisconsin-Madison）、布里斯托尔大学（University of Bristol）和宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）的一群大无畏的科学家们决定进行一项为期两年半的实验，来研究微生物在岩石上的生存能力。为了实现这一点，他们必须想出使岩石风化这个过程“快进”的方法。

一种方法就是要找到风化反应快的岩石。而科学家们也确实找到了一种，那就是位于波多黎各里约伊卡果斯（Rio Icacos）流域下的里约布兰科石英闪长岩（Rio Blanco Quartz Diorite）基岩。这种基岩风化异常的快，这使其成为一个诱人的实验对象，因为科学家们将有望在发表的预计时间内完成实验。科学家们从一个路堑上采集了纯基岩的样本，也从上面钻入地层的土壤和岩石长管中采集了样本。这些岩心中包括一个过渡带，在这里，断裂的基岩与新生土脉交替，这个区域有个奇怪的名称叫“部分风化带”。

图片来源：Napieralski et al. 2020

科学家们发现，在最深层的土壤中，ATP（新陈代谢的细胞产生的一种化学物质）的丰度仅次于土壤表层（植物和动物丢弃的营养垃圾和丰富的氧气为旺盛的生长提供了养料）。也就是说，在土壤底层一定进行着一些生命活动，那么究竟是什么呢？

如果生物风化反应确实发生了，那么电子在其中有什么作用呢。电子是围绕原子核运动的带负电荷的粒子。原子中的电子数常常是变化的。含有较多电子的原子是还原态的，而含有较少电子的原子是氧化态的。

所有生物都需要“骗取”电子以维持生命，通常是通过将电子从糖和其他还原态的有机化合物(我们称之为“食物”)中剥夺出来，然后利用这些电子通过细胞呼吸为细胞提供能量。但有些微生物可以利用简单的无机化合物或原子作为电子源。能够利用石头作为电子来源的生物被称为无机营养菌，它们以吃岩石为生。

富含还原态铁的矿物，如黄铁矿(愚人金)、黑云母和角闪石，是细菌的潜在食物。由电子剥离引起的这些矿物的物理变化可以启动其化学溶解过程——即风化。这样的物理变化应该能在显微镜下观察到。

因此，科学家们把高度可风化的岩石和含有微生物的土壤带回去，通过研磨岩石，增加其表面积，进一步加速风化进程。他们把碎石和微生物混合在一起。

30个月后，他们把样本放在显微镜下。与微生物一起培养的矿物质在864天的培养后显得参差不齐、坑坑洼洼,就好像它们是被酸而非被细菌腐蚀成这样的。相比之下，无菌对照组的矿物质则保留了锋利、平滑的边缘。

细菌氧化。图片来源：Napieralski et al. 2020

无细菌对照组。图片来源：Napieralski et al. 2020

科学家们还在包括微生物在内的混合物中检测到丰富的ATP，这表明它们正在享受盛宴。而且请记住：除了碎石头之外，绝对没有其它什么可以享用的。

另一个谜团仍然存在：谁在吃岩石？当科学家们检查样本中的微生物的DNA时，他们发现这些微生物几乎都是细菌。令人惊讶的是，在这些培养物中竟然没有真菌。几年前我在Radiolab讨论过，菌根真菌与树根相关，并产生许多我们熟悉的森林蘑菇，它们也因在土壤中挖掘岩石颗粒的能力而闻名。

科学家们认为，要么是“部分风化带”中真菌食物的数量不足以支持这种真菌，要么是他们实验中的培养条件不足以支持最初样本中可能存在的任何真菌。

他们发现无机营养细菌确实有一种特殊的能力：从外界的铁原子中获取电子。也就是说，它们可以在不吞咽食物的情况下“吃”东西。这种细菌通过一种叫做外部电子转移的技术来“摄取”电子。这是至关重要的，因为铁原子是矿物的一部分，细菌没有撬棍或其他方法来撬松它们。但这样做还有另一个好处，因为如果在氧化之前摄入铁原子，微生物就会充满铁锈，这是一种潜在的致命且绝对令人尴尬的情况。

因此，细菌确实能够启动并加速岩石变成泥土的过程。在陆地上，泥土孕育着植物，植物支持着几乎所有其它的东西。就这样，生命进行回馈，产生了我们今天所看到的这个星球。在这个星球上，生物的足迹无处不在，上至多高、下至多深，都未可知。

撰文： Jennifer Frazer，一位科学写作者，美国科学促进会(AAAS)科学新闻奖得主。她拥有生物学、植物病理学、真菌学和科学写作学位。

翻译：董梦圆

审校：郭晓

引进来源：科学美国人

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


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