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泥土的“身世” 可能和细菌“食谱”有关

2020-07-0214:28:15来源:科技日报

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我们脚下的土地面积庞大,似乎一直不变。但泥土究竟是怎么诞生的,却一直是个谜。科学家试图用地质学和气象学知识在时间的维度上,解释这个神秘的问题,并推断岩石通过风化反应形成泥土。但对于人类来说,这个过程很难观测。

长期以来,人们都相信,有生物参与了这个过程,科学家们也从理论上证实了这个可能性。然而,从没有人真正在常见的硅铁大陆岩石中,观察到生命的存在。毕竟,相对于科学家的职业生涯来说,岩石的风化反应实在是太漫长了。

找到易风化的岩石及土壤细菌

尽管如此,美国威斯康辛大学麦迪逊分校、布里斯托尔大学和宾夕法尼亚州立大学的科学家们决定开展一项为期2年半的实验,研究微生物在这类岩石上的生存能力。为了实现这一点,他们必须想出加快岩石风化这个过程的方法。

一种方式就是要找到风化速度快的岩石。而他们也确实找到了,就是位于里奥伊卡科斯(Rio Icacos)流域下的石英闪长岩基岩,这种岩石风化异常快。研究人员意识到,这或许是一个比较理想的研究样本,能让他们在计划的时间内完成实验。科学家们从一个路堑上采集了纯净的基岩样本,也就是土壤以及其下方的岩石。这些土壤和岩石区域之间还存在一个过渡区域。在这里,断裂的基岩与新生土交替存在。这个区域有个奇怪的名称叫“rindlet”地带。

他们发现,在最深层的土壤中,ATP(由细胞代谢产生的三磷酸腺苷)的丰度仅次于土壤表层。这也意味着,在土壤底层一定存在着一些生命活动,但究竟是什么呢?

如果其中确实存在生物风化反应,那这一过程中会涉及电子转移吗?电子是一种带负电荷的粒子,能围绕原子核运动。原子中的电子数会经常发生变化。原子含有较多的电子会处于还原态,含有较少的电子则处于氧化态。

所有生物都需要获取电子以维持生命活动,它们通常会从糖和其他还原态的有机化合物(也就是食物)中获得电子,然后在细胞呼吸中利用这些电子产生能量。有些微生物还可以利用简单的无机化合物或原子,作为电子来源。而利用石头作为电子来源的生物被称为化能自养菌,它们能以吃岩石为生。

富含还原态铁的矿物如黄铁矿、黑云母和角闪石,是细菌的潜在食物。由于电子被剥夺,这些矿物可以产生化学分解过程即风化,并伴随着外形的改变。这种变化能在显微镜下观察到。因此,科学家们把更易风化的岩石和含有微生物的土壤带回实验室,并研磨岩石,增加其表面积。随后,他们把这些岩石和微生物混合在一起。

“吃”石头的或是化能自养菌

在30个月后,他们把样本放在显微镜下。这些岩石在与微生物一起培养后显得参差不齐、坑坑洼洼,就好像被酸腐蚀了一样。相比之下,对照组的岩石(没有微生物)保留着锋利、光滑的边缘。

他们在含有微生物的岩石混合物中,检测到丰富的ATP,这表明它们正在享受“食物”——也就是这些岩石。而另一个谜团是:谁在吃岩石?当他们检查样本中微生物的DNA时,发现这些微生物几乎都是细菌,却没有真菌。研究人员认为,要么是这一区域的“食物”数量不足以支持真菌生存,要么是他们实验中的培养条件,无法支持样本中最初存在的真菌继续存活。

此外,他们还发现这些化能自养菌确实有一种特殊的能力:从外界的铁原子中获取电子。这些细菌通过一种叫做胞外电子转移的方式来摄取电子。这种方式还有另一个好处,这些微生物能避免氧化的铁原子在体内富集,进而避免了一种潜在的致命威胁。因此,细菌或许真能启动并加速岩石风化成为泥土的过程。

责任编辑:朱佳琪(EN042)

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