自从安东尼·范·列文虎克在显微镜下首次观察到细菌以来的几百年里，我们人类最关心的是这些生物对我们做了什么。然而，最近，科学家们开始研究微生物如何影响我们的环境——事实证明，这些细菌做了很多事情。在大约过去的 35 亿年里，微生物一直存在于地球上，它们不断地帮助塑造地球：它们分解岩石，构成矿床，并产生从电流到甲烷气体等副产品。此外，它们通常在最不适宜的环境中这样做。
|
地球的地形不断地被微生物群落的活动塑造。科学家现在知道，细菌分解岩石，构成矿床，并产生从电流到甲烷气体等副产品。
|
“如果它们不让我们生病，那么我们通常会忽略所有这些细菌，”堪萨斯大学的詹妮弗·罗伯茨·罗杰斯说，“但是在我们脚下的岩石中，存在着大量的细菌生物量。”研究人员现在估计，生活在地球地下 4000 米深度的原核生物（细菌和古菌）的总数为约 3.8 X 1030 个细胞。（相比之下，一个普通人体内大约含有 1015 个细胞。）“如果你想大胆一点，你可以认为细菌无处不在，”罗杰斯说。“所以你可以认为细菌在所有地方都有参与，无论直接还是间接，都参与到地质循环中。”
当涉及到地质活跃的微生物群落时，最有趣的是那些在没有氧气的情况下生存且不依赖光合作用的群落。第一个得到充分研究的例子存在于诸如黄石公园的温泉和沿大洋中脊的“黑烟囱”等恶劣环境中，这些地貌从硫磺堆中喷出 80 摄氏度的水。这些所谓的极端微生物在 20 世纪 90 年代声名鹊起，它们依赖高温和硫磺生存。它们的发现首次提出了地球上生命可能开始的新方式。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保关于当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
硫磺洞穴
德克萨斯大学奥斯汀分校的地球化学家莉比·斯特恩和同事菲利普·贝内特现在研究怀俄明州洛弗尔附近一个洞穴中的硫化环境，斯特恩说这个洞穴类似于大洋中脊上的热液喷口生态系统。“这个洞穴没有阳光；这个生态系统是化能自养的，”她说。“没有光合作用，只有化学作用。生命来源于岩石和地下水的化学作用。”
各种各样的微生物在黑暗的洞穴中茁壮成长。斯特恩指导的研究生安妮特·萨默斯·恩格尔说，她根据微生物的代谢活动将它们分成了六到七个不同的群体。一条富含硫化氢的溪流穿过洞穴的中心。“在水流进来的地方，它是厌氧的，所以微生物是厌氧菌，”她说。“在几米之内，只有好氧微生物在菌席的表面生长。我们正在谈论一个 10 或 15 米的延伸，而且微生物菌席更加复杂。”在一个茶匙的空间内，氧气的含量在垂直和水平方向上都发生变化。在两毫米内，恩格尔观察到了不同的微生物群落层。
斯特恩说，洞穴微生物的碳比例显示出与光合作用相关的碳比例非常不同的值——她将这种差异归因于这些化能自养细菌使用的不同的 CO2 固定方式。“它们组织中产生的有机物，”她补充说，“可能是这个过程的生物标志物。”这种生物标志物可能使地质学家能够确定在岩石沉积时存在哪些类型的生命，并且还可以提供当时环境条件的一瞥。
白云石之谜
|
白云石在许多你期望发现这种矿物的地方都缺失，包括海水。然而，正如科学家在 1995 年了解到的那样，在缺氧、富盐环境中，硫酸盐还原菌是产生白云石所必需的。 |
微生物学显然至少解决了一个地质谜题：白云石——一种由钙、镁和碳酸盐晶体组成的柔软、白色、玻璃状矿物。按理说，世界应该被这种物质覆盖。巨大的白云石矿床确实在美中西部以及欧洲和墨西哥的部分地区形成了沉积岩。但是在许多你期望发现这种矿物的地方——例如，海水通常含有过量的必要成分——它完全缺失了。
“白云石在岩石记录中随处可见，但在现代低温环境中很少出现，”罗杰斯说。“有一些非常特殊的环境，高盐环境中确实会形成白云石沉淀，”例如里约热内卢。但是很难找到现在正在形成白云石的地方，更不用说解释过去大型矿床的速率了。
1995 年，瑞士 ETH-中央地质研究所的克里索戈诺·瓦斯孔塞洛斯和他的同事似乎解决了缺失白云石矿床的难题，他们在《自然》杂志上发表了一篇具有里程碑意义的论文，记录了这种矿物在实验室环境中是如何形成的。神奇的成分？微生物。同一小组的后续论文指出，硫酸盐还原菌与缺氧、富盐环境中白云石的形成之间存在联系。
瓦斯孔塞洛斯的同事之一朱迪思·麦肯齐提出，白云石应被视为一种生物矿物，因此并非完全无机。“这是关于白云石如何在数百万年前的地质时期沉淀的线索，”罗杰斯补充说。“如果它一直是以这种方式沉淀的，那么可能当时有更多的细菌来完成这项工作，或者如果情况发生了足够的变化，白云石沉淀在现代 [时期] 的低温下实际上会以与地质时期不同的方式发生。”
从地球上的细菌到太空中的生命
关于地质活跃的微生物，还有很多东西需要了解。在加州理工学院的黛安·纽曼实验室，科学家们正在努力确定微生物如何通过例如从针铁矿中的铁中收集电子来依靠无机矿物质生存。纽曼说，目前，“关于它们用来做到这一点的酶知之甚少，更不用说哪些基因编码这些酶了。”微生物活动也可能影响我们的大气和海洋，她说。“你可以从海底一直到外层大气，并试图弄清楚影响全球变暖的微量气体是否来自微生物学。”
在去年 12 月的美国地球物理联合会 (AGU) 会议上，华盛顿大学西雅图分校的海洋学家约翰·德莱尼（热液喷口生态学研究的主要贡献者）谈到了关于微生物生物圈的“概念转变”。他指出，“在 11 个案例中的 11 个案例中，都发现水下火山大量喷发生物物质”，并且使这些极端微生物能够在这种条件下生存的酶“可能对制药和工业过程产生深远的影响”。现在专注于天体生物学的德莱尼认为，板块构造以我们尚未理解的方式调节着海洋微生物生物圈，而我们的海洋可能蕴藏着宇宙其他地方的生命样貌。
罗杰斯说，岩石记录中的“生物印记”将使地质学家能够确定可用营养物质、全球碳循环和成岩作用（从旧岩石中制造新岩石的速度），不仅在我们星球上，而且在其他星球上。“我们或许能够使用玄武岩作为代理来找到生命的痕迹，”她说，因为微生物可能与它的风化循环密切相关。回到地球上，她的研究侧重于土壤中的细菌或可用于生物修复的细菌。她发现，在存在无机矿物质的情况下，一些细菌可能会更快地分解溢油的有机化合物。“当你遇到低温或环境温度，而不是深海喷口温度，而是常规环境时，”她说，“我认为细菌可能是岩石风化和分解的主要机制，因为它们能够克服动力学障碍。”
根据美国微生物学会本月发布的关于“生物圈和地圈之间的界面”的报告，这些微小的细菌可能会“影响整个地球”。这个领域仍然非常广阔，可能会为环境灾难提供实际解决方案，或者为生命的起源提供答案。正如德莱尼所说，“关于还有什么有待发现，人们知之甚少。”