土是地球上最丰富、存在时间最持久和最低价的物质,然而土究竟来自哪里却是一个永恒的谜团!一般来说,认为土是地质学、气象学和时间共同作用导致的,岩石风化成土。但这是一个人类难以观察的过程。长期以来,人们一直认为生命以某种方式参与岩石风化成土的过程,科学家们已经证明,从理论上讲这是可能的。但没有人在普通类型的铁硅酸盐岩石中观察到这一现象,这可能是由于风化作用的反应速度太慢,科学家究其一生也观察不到其中的奥妙。
最近,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的科学家想要挑战这一难题。他们决定进行一项为期两年半的实验,看看微生物生命在岩石变成土的过程重充当什么角色。为了做到这一点,他们必须想出办法来加速这一进程。一种方法是找到对气候敏感的岩石。最后,他们在波多黎各RioIcacos分水岭下找到了目标--石英闪长岩基岩。他们从一条公路上采集了纯基岩的样本,以及从上面钻入地层的长管土壤和岩石。这些岩芯中包括基岩断裂与新生土壤纹理交替的过渡带。
科学家们发现,在这层最深的土壤中,ATP(一种由新陈代谢细胞产生的化学物质)的含量比土壤的任何其他部分都要丰富,除了地表,那里有植物和动物丢弃的有营养的垃圾,以及丰富的氧燃料,这表明这里一定发生了什么?
如果真的发生了生物风化,那其中就包括电子的转移。电子是围绕原子核运转的带负电荷的粒子。原子中的电子数经常变化。含有更多电子的称为还原态,而含有较少电子的称为阳化态。
所有生物都在利用电子,通常是通过从糖和其他还原有机化合物(称之为“食物”)中剥离电子,并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。那些可以利用石头作为电子源的被称为岩石滋养体。他们吃石头。富含还原态铁的黄铁矿、黑云母和角闪石的矿物均是潜在的岩石滋养体。这些矿物的物理变化的本质是电子转移相对应的化学溶解过程,即风化作用。这在显微镜下应该是可以看到的某种物理变化。因此,科学家们把他们具有高度耐候性的岩石和带有微生物的土壤带回了家,并通过研磨岩石,增加其表面积,进一步加速了这一过程。他们把碎石和微生物混合在一起。
剩下的事情,就是等待和等待。两年半过去后,他们把样品放在显微镜下。与微生物一起孵育的矿物在天后显得参差不齐或凹凸不平,就好像它们被浸在酸里,而不是细菌里。相比之下,无菌对照矿物保留了锋利光滑的边缘。
学家还检测到含有微生物的混合物中含有丰富的三磷酸腺苷,这表明微生物们正在大吃大喝。但是,除了碎石,没有什么可吃的。还有就是谁在吃石头?当科学家们检查样本中微生物的DNA时,他们发现几乎只有细菌。他们发现的石营养细菌有一种特殊的能力:从体外的铁原子中获取电子的能力。也就是说,他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“吸收”电子。这是至关重要的,因为铁原子是矿物的一部分,而细菌没有撬棍或其他工具来撬开它们。但这样做还有另一个好处:如果铁原子在氧化前被吸收,微生物就会充满铁锈,这是一种潜在的致命的、绝对令人尴尬的情况。
因此,细菌似乎确实能够启动并加速泥土的形成过程。在陆地上,泥土支撑着植物,植物支撑着其他一切。在许多其他的方式中,生命以这种方式回馈,产生了我们今天所看到的星球,在这个星球上,没有一个表面是未被殖民的,而生命消失的高度和深度仍然是未知的。
参考文献:
1.Napieralski,StephanieA.,HeatherL.Buss,SusanL.Brantley,SeungyeolLee,HuifangXu,andEricE.Roden.Microbialchemolithotrophymediatesoxidativeweatheringofgraniticbedrock.ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,no.52():-.