科学家等待了两年半以观察细菌是否能吃岩石

本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点

对于一种以其丰富性、持久性和极低价格而闻名的物质来说，泥土仍然存在一个持久的谜团：它从何而来？

一般来说，它位于地质学、气象学和时间的交汇点。岩石通过风化作用变成泥土。但这对于人类来说，必然是一个难以观察的过程。

长期以来，人们一直认为生命以某种方式参与其中（在地球上，很少有事物与生命无关），科学家们也证明了这在理论上是可能的。但实际上没有人真正观察到普通类型的铁硅酸盐大陆岩石发生这种情况，这可能是由于风化作用的反应速度相对于科学家的职业生涯速度存在令人痛苦的巨大差距。

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威斯康星大学麦迪逊分校、布里斯托大学和宾夕法尼亚州立大学的勇敢科学家们加入了进来，他们决定进行一项为期两年半的实验，以观察微生物生命在多大程度上能够应对岩石。为了使这成为可能，他们必须想出加速时间的方法。

一种方法是找到风化速度快的岩石。波多黎各里约伊卡科斯流域下方的里约布兰科石英闪长岩基岩风化速度异常快，这使其成为在可发表的时间尺度内进行实验的诱人目标。科学家们从路堑中采集了纯基岩样本，以及从上方钻入地层的长管土壤和岩石。这些岩芯中包含了过渡带，即破碎的基岩与新生土壤脉络交替的区域，一个有点奇怪地被称为“rindlet”带的区域（遗憾的是，它并没有产生任何在99美分袋中出售的松脆美味的东西）。

科学家们发现，在最深层的土壤中，ATP——一种由代谢细胞产生的化学物质——比土壤的任何其他部分都更丰富，除了地表，那里有植物和动物掉落的营养垃圾以及充足的氧气，为旺盛的生长提供燃料。所以那里正在发生一些事情。问题是：是什么？

寻找电子

如果生物风化确实正在发生，那么这涉及到电子。电子是带负电的粒子，围绕原子核运行。原子中的电子数量经常变化。含有更多电子的版本被称为还原态，而含有较少电子的版本被称为氧化态。

所有生物都在玩弄电子，通常是通过从糖类和其他还原性有机化合物（我们称之为“食物”的东西）中剥离电子，并使用这些电子通过细胞呼吸为它们的细胞提供能量。但一些微生物可以使用简单的无机化合物或原子作为电子来源。那些可以使用石头作为电子来源的微生物被称为岩养生物。它们吃岩石。

富含还原铁的矿物质，如黄铁矿（愚人金）、黑云母和角闪石，是潜在的细菌食物。电子剥离对这些矿物质造成的物理变化应该会启动它们的化学溶解过程——即风化作用。这应该在显微镜下可见，表现为某种物理变化。

因此，科学家们将他们高度易风化的岩石和富含微生物的土壤带回家，并通过研磨岩石进一步加速了进程，增加了其表面积。他们将碎岩与微生物混合在一起。

然后他们等待着。

等待着。

又等待着。

两个生日、两个圣诞节和两个所得税申报截止日期过去了。他们仍然在等待。

终极慢食

30个月后，他们将样品放在显微镜下观察。与微生物一起孵育的矿物质看起来粗糙或有凹坑——仿佛它们是被浸泡在酸中，而不是细菌中——在它们864天的孵育之后。相比之下，无菌对照矿物质保持着锋利、光滑的边缘。

科学家们还在包含微生物的混合物中检测到丰富的ATP，表明正在进行盛宴。请记住：除了碎岩之外，绝对没有任何东西可以享用。

另一个谜团仍然存在：是谁在吃岩石？当科学家们检查样品中微生物的DNA时，他们几乎只发现了细菌。令人惊讶的是，培养物中缺少真菌。与树根结合并产生许多常见森林蘑菇的菌根真菌，也因其在土壤中开采岩石颗粒的能力而闻名，正如我几年前与Radiolab讨论的那样。科学家们认为，rindlet带中的真菌食物量要么不足以支持这些真菌，要么他们的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。

他们发现的岩养细菌具有一种特殊的能力：从体外的铁原子中获取电子的能力。也就是说，它们可以在不吞咽食物的情况下进食。细菌通过一种称为外部电子转移的技术“摄取”电子。这至关重要，因为铁原子是矿物质的一部分，细菌没有撬棍或其他方法来撬开它们。但这样做还有另一个好处：如果在氧化之前摄入铁原子，微生物就会充满铁锈，这可能是一种致命且绝对令人尴尬的情况。

因此，细菌似乎确实能够启动和加速造土过程。在陆地上，土壤支撑植物，植物支撑着几乎所有其他事物。通过这种方式以及许多其他方式，生命会反馈，产生我们今天看到的地球，在这个地球上，没有表面仍然未被殖民，而生命消失的高度和深度仍然未知。

参考文献

Napieralski, Stephanie A., Heather L. Buss, Susan L. Brantley, Seungyeol Lee, Huifang Xu, 和 Eric E. Roden. "微生物化学自养介导花岗岩基岩的氧化风化作用." 美国国家科学院院刊 116, no. 52 (2019): 26394-26401.