对于一种以储量丰富、持久性强、价格低廉而闻名的物质来说,泥土有一个经久不衰的秘密:它从何而来?

一般来说,它处于地质学、气象学和时间的关系。岩石通过风化.但这是一个人类很难观察到的过程。

长期以来,人们一直认为生命在某种程度上参与其中(在地球上,生命几乎不参与其中),科学家们已经证明,这在理论上是可能的。但从来没有人在普通类型的铁硅酸盐大陆岩石中真正观察到这一点,可能是由于风化作用的反应速度与科学家的职业速度之间存在令人沮丧的巨大差距。

威斯康星大学麦迪逊分校、布里斯托尔大学和宾夕法尼亚州立大学勇敢的科学家们,是谁决定进行为期两年半的实验,看看微生物在岩石上的生存能力.为了实现这一点,他们必须想出按快进键的方法。

一种方法是找到风化快的岩石。波多黎各里约热内卢Icacos分水岭下里约热内卢Blanco石英闪长岩基岩风化速度异常快,使其成为一项可公布时间尺度的实验的诱人目标。科学家们从一个路堑中采集了纯基岩的样本,以及从上面钻入地层的土壤和岩石的长管。在这些岩心中还包括一个过渡带,在这里,破碎的基岩与新生土壤的纹理交替出现,这个地区被有点奇怪地称为“小颗粒”区(遗憾的是,这里没有任何松脆美味的99美分袋装商品)。

信贷:Napieralski等,2020年

科学家们发现,在这最深处的土层中,三磷酸腺苷——一种由细胞代谢产生的化学物质——比土壤的任何其他部分都丰富,除了土壤表面。在土壤表面,动植物丢弃的营养垃圾和丰富的氧气提供了蓬勃生长的燃料。那下面肯定有事。问题是:什么?

寻找电子

如果生物风化确实发生了,那么它涉及到电子。电子是围绕原子核运行的带负电荷的粒子。原子中的电子数经常变化。含有较多电子的化合物被称为还原型,而含有较少电子的化合物被氧化型。

所有生物都在利用电子,通常是通过从糖类和其他被还原的有机化合物(我们称之为“食物”的物质)中剥离电子,并用这些电子为细胞提供能量细胞呼吸.但有些微生物可以使用简单的无机化合物或原子作为电子源。那些可以利用石头作为电子来源的生物被称为石养生物。他们吃的岩石。

富含还原性铁类矿物质黄铁矿(傻瓜的金子),黑云母,角闪石是潜在的细菌食物。电子剥离对这些矿物所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。这在显微镜下应该可以看到某种物理变化。

因此,科学家们把他们的易风化岩石和微生物土壤带回家,通过研磨岩石,增加其表面面积,进一步加速了过程。他们把碎石和微生物混合在一起。

然后他们等待着。

等着。

又等了一会儿。

两个生日,两个圣诞节,两个所得税申报截止日期都过去了。他们仍然在等待。

终极慢食

30个月后,他们把样本放在显微镜下。在经过864天的培养后,与微生物一起培养的矿物看起来参差不齐或坑洼不平——就像它们被浸在酸中而不是细菌中一样。相比之下,不育的控制矿物保留了锋利、光滑的边缘。

信贷:Napieralski等,2020年
信贷:Napieralski等,2020年

科学家们还在含有微生物的混合物中检测到丰富的ATP,这表明它们正在大吃大喝。记住:除了碎石,绝对没有什么可以吃的。

另一个谜仍然存在:谁在吃石头?当科学家检查样本中微生物的DNA时,他们发现几乎全是细菌。令人惊讶的是,培养物中缺少真菌。与树根有关的菌根真菌,产生许多常见的森林蘑菇也因其在土壤中挖掘岩石颗粒的能力而闻名,因为我和Radiolab讨论过几年前。科学家们认为,要么是颗粒区真菌食物的数量不足以支持这些真菌,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。

他们发现的石养细菌有一种特殊的能力:从铁原子中获取电子的能力他们的身体。也就是说,它们可以不吞咽食物而进食。细菌通过一种叫做外部电子转移的技术“摄取”电子。这是至关重要的,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:如果铁原子在氧化前被吸收,微生物就会布满铁锈,这可能是致命的,而且肯定会让人尴尬。

因此,细菌似乎确实能够启动并加速制造污垢的过程。在陆地上,泥土支撑着植物,而植物又支撑着其他大部分东西。在许多其他方式中,生命以这种方式反馈,形成了我们今天看到的这个星球,在这个星球上,没有一个表面是未被殖民的,生命消失的高度和深度仍然是未知的。

参考

Napieralski, Stephanie A., Heather L. Buss, Susan L. Brantley, Seungyeol Lee, Huifang Xu, and Eric E. Roden。微生物化能化石作用介导了花岗质基岩的氧化风化作用."美国国家科学院院刊116年,没有。52(2019): 26394 - 26401。