地球上的土壤从何而来?这一切与“吃土”细菌有关,它们贡献巨大

发布时间:08-0110:51

土壤是地球上最常见且最复杂的结构之一,从表面上看它由各种泥土、小石块混合而成,平平无奇。实际上土壤中含有各种各样的颗粒状矿物质、水分、微生物、有机物等,众多有机物和无机物的混合营造了孕育生命的重要场所。正因为土壤中含有如此丰富的物质,才使得生命的孕育成为可能,让自然生物的生存得以延续。

那么多的土壤是从哪来?

众所周知,地球是一颗岩石星球,但它和宇宙中大多数岩石星球不同,地球表面并非是光秃秃的岩石结构,许多面积都是被土壤所覆盖着的。地球表面有接近三成的面积都是陆地,几乎每一处陆地都有土壤覆盖,那么问题来了,这么多的土壤是从何而来的呢?难道是地球之初就已经存在了吗?

行星科学家认为行星诞生之初表面几乎都是裸露的岩石,土壤是后期发展形成的。关于土壤是如何形成的这个问题,目前尚未有准确的定论,但科学界长期以来尝试从地质学和气象学的角度切入去研究土壤的形成机制,最终提出了“岩石的风化效应产生土壤”的说法。而岩石的风化不仅仅指的是自然风的作用,其中还可能有生物参与了作用,因为几乎地表的每个角落都存在生命。

但由于岩石的风化过程通常需要耗费漫长的周期,一颗普通石头变成一抔泥土所需要的时间通常比人的一生还要漫长,因此从来都没有科学家能直接观察到岩石通过风化作用形成泥土的过程,这也导致了生物参与岩石风化的结论一直悬而未决。而根据环球科学网的报道,两年半前国外有一支科研团队决定进行岩石的生物风化效应进行研究。

一群科学家决定深入研究,他们在研究中发现了什么?

对于事物的本质探索总能激发科学家的研究兴趣,来自美国威斯康星大学、布里斯托尔大学以及宾夕法尼亚州立大学三所大学的科学家联合做出一项决定,他们计划进行一项为期30个月的实验,以探究生物在岩石风化中的作用和体现。

单纯观察自然界的岩石风化作用是行不通的,即使耗费科学家一生的时间也未能有实质性的发现。要在30个月内观察到岩石风化的现象,他们需要找到存在这种风化现象的岩石。幸运的是,研究人员在伊卡科斯流域中发现了闪长岩的基岩。根据已有的研究结论,这种岩石拥有极快的风化速度,它会是此次研究理想的研究对象。

此外,研究人员在寻找闪长岩基岩的过程中发现,基岩层位于岩层和土壤中间,这说明基岩可能是闪长岩与土壤之间的过渡带。基于这两方面的原因,这种基岩成为了研究对象。研究人员还在基岩上的土壤层里检测到了较为丰富的ATP,这是一种细胞进行能量转换后产生的能量物质,这能说明什么呢?

如果其中存在生物风化反应,那么生物维持生命活动的电子从何而来呢?

ATP的出现让研究人员很快就意识到,该土壤中存在较为活跃的生命活动,并以此推测该土壤可能是由生物参与岩石风化反应得到的,因为非生命物质是无法自主产生ATP的。但该推论很快又引出了另外一个问题,生物维持生命活动的电子从哪里得到的?

根据已有研究发现,任何生物进行生命活动的本质就是获取电子,大多数生物会从具有还原态的有机物中获取电子,而被捕获的电子最后用于细胞呼吸,从而产生生命活动所需要的能量。但岩石中几乎没有有机物的存在,生物又是如何发生生物风化反应呢?这里就不得不提一提一种神奇的微生物——化能自养菌。

什么是化能自养菌?

生物学家根据细菌的获能方式将其分为自养菌和异养菌,其中自养菌以无机物中的碳元素为碳源,而异养菌以有机物中的碳元素为碳源。化能自养菌是自养菌数量和种类众多的一类,常见的自养菌就有亚硝酸细菌、硝酸细菌、铁细菌等等。从这些细菌的名字上来看就可以知道,它们的生长和繁殖并不需要有机物,而是需要某种无机物。

同时化能自养菌在产生能量的过程中并不像异养菌那样需要阳光的参与,它通常需要具有还原态的无机物来作为反应的原料,岩石也可以成为它们的“食物来源”。科学家通过研究发现化能自养菌主要分布在土壤中,它们对地球上氧、硅、铝、铁等元素的循环起到了重要作用。

对照实验让研究人员发现了其中的奥秘

闪长岩基岩的发现让该研究团队获得了理想的实验样本,除了这种岩石之外,很难找到第二种能够在短短几年内发生风化现象的岩石了,于是他们开始在实验室里准备实验。在实验中,研究人员设置了实验组和对照组,两组的实验样本都是基岩,但是实验组中放入了从其他土壤中获取的微生物,而对照组则将微生物都消灭干净。

经过了大约30个月的实验后,实验人员用显微镜对样本进行观察,发现实验组的基岩表面出现了诸多坑洼的地方,外形像是被某种强酸腐蚀了一般,而对照组基本保持着两年半前的样子,没有被腐蚀的痕迹。单单是观察外表还无法表明有生物参与了岩石的风化,紧接着实验人员利用检测仪器对实验组的基岩进行检测,发现其中存在较高浓度的ATP。

这种情况与起初研究人员在伊卡科斯流域发现的现象相同,而实验组里除了基岩之外没有其他无机物质,这说明实验组中的微生物以基岩作为食物来源,然后通过生化反应产生大量ATP。到此又有一个问题出现了,是什么微生物在“吃”岩石呢?

研究人员通过对微生物DNA的抽样检测,发现它们几乎都是细菌,而非真菌。对此研究人员表示,真菌对生存环境的要求要比细菌高一些,而实验组中营造的无机环境不足以支持真菌的发育和繁殖。经过鉴定,研究人员确定是化能自养菌在吃岩石。

化能自养菌如何从岩石中获取电子?

对于化能自养菌获取电子的方式,该研究团队通过研究提出了一种名为“胞外电子转移”的说法,这种方式使得化能自养菌既能够从岩石中的铁原子里捕获电子,又能够避免铁原子在其体内堆积。

最后

这项历时长达两年半的研究终于结束了,研究结果表明在细菌的作用下岩石风化的速度确实会有所提高,让研究人员得以在短短的三年内证实生物风化现象。同时,该研究也揭露了岩石转化为土壤过程中的一些细节问题,这让人类对脚下的土壤有更深入的了解。

长期以来,石头被认为是无机世界中最没有价值的一种,因为它既无法直接为有机生命提供能量,也无法帮助孕育有机生命。但此次研究告诉世人,岩石并非人们认知中的那般无价值,它以一种人类无法直接感知的方式在不断体现出自己的价值。从长远发展的角度来看,岩石的存在具有重要的意义,它是土壤形成的原料之一。

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