大吃一口，吃嘛嘛香。

在我們腳下，從接近地表的深度到幾千米深的地層中，其實(shí)生活著地球上最古老的一群生命——原核生物。已有研究提出，從古菌到氧化還原細(xì)菌，多達(dá)95%的原核生物都生活在地殼深處，它們甚至占據(jù)了地球總生物量的19%。因?yàn)槿鄙訇柟夂脱鯕?，這里的生物只能從礦物中獲取營養(yǎng)，從水和巖石的反應(yīng)中獲取能量。

原核生物細(xì)菌圖源：維基百科

從本質(zhì)上來說，我們和這些原核生物的生存方式是一樣的。在地球表面，人體攝入的葡萄糖分解釋放電子，這些電子傳遞給氧氣分子，隨著氧與氫結(jié)合成水，釋放出的能量形成ATP，供給人類各樣的活動(dòng)。這種電子在氧化還原對之間的流動(dòng)，提供了生命活動(dòng)需要的能量。

而在深不見光的地底，這里的微生物同樣依靠電子的流動(dòng)獲取能量。由于無法接觸到太陽能，對地底生物來說，它們最常見的電子供體就是氫氣。

氫氣通常形成于水的電解。一些具有放射性的巖石可能會(huì)分解水產(chǎn)生氫氣，還有一些富鐵的巖石可以與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣(通常發(fā)生在巖石蛇紋石化過程中)。

但在一些情況下，巖石在破裂時(shí)也可以分解水，產(chǎn)生氫氣。尤其是在地震作用，或是冰川引發(fā)的巨大壓力下，在硅酸鹽巖石新鮮的斷裂面上，斷裂或扭曲的硅-氧鍵會(huì)產(chǎn)生活性自由基，從而使水具備分解成氫氣的能力。事實(shí)上，水在這類巖石新鮮斷面的作用下發(fā)生的反應(yīng)被認(rèn)為是斷裂帶與冰川底部氫氣的潛在來源，甚至可能促進(jìn)了地球早期氧氣的產(chǎn)生。

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但只有氫氣還不夠。就像我們需要氧氣一樣，地殼深部的微生物如果想要利用這些氫氣(電子給體)，也需要電子受體?！?就算)食物擺在桌子上，但如果沒有叉子，你還是什么都吃不到?！奔幽么蠖鄠惗啻髮W(xué)的芭芭拉·舍伍德·洛拉(BarbaraSherwoodLollar)在接受《新科學(xué)家》(NewScientist)采訪時(shí)解釋道。

最近，一項(xiàng)發(fā)表于《科學(xué)·進(jìn)展》(ScienceAdvances)的研究就嘗試尋找深地微生物的“食物”和“叉子”，這項(xiàng)研究由中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所的何宏平院士和朱建喜教授領(lǐng)導(dǎo)完成，洛拉也是作者之一。

地下電網(wǎng)

在地下，有一種元素對生命非常重要，就是鐵。它廣泛分布于大多數(shù)巖層中，并且具有高度遷移性——在硫、氮、碳這些微生物代謝核心元素的生物地球化學(xué)循環(huán)中起著關(guān)鍵作用。

我們當(dāng)然無法親身進(jìn)入數(shù)千米下的地層，去實(shí)地觀察受地震活動(dòng)影響的巖石中微生物的活動(dòng)。因此，研究者在實(shí)驗(yàn)室里設(shè)置了缺氧條件，并利用石英和球磨工藝，模擬地震中巖石破裂后的反應(yīng)。在研磨過程中，石英就可以模擬巖石中常見的硅酸鹽礦物。其中的硅氧共價(jià)鍵容易斷裂，使共用電子對平均分配給硅原子和氧原子(這個(gè)過程被稱為均裂)，由此形成兩個(gè)活性自由基。隨后，研究者會(huì)將粉碎的石英與水和多種形態(tài)的鐵混合。

圖片來源：原論文

在實(shí)驗(yàn)室里，破裂的石英與水反應(yīng)，釋放出了大量的氫。其中既包括氫氣，也存在一些其他形式的氫，例如過氧化氫(H2O2)。研究者發(fā)現(xiàn)，由于微量過氧化氫的積累，局部的水溶液會(huì)呈弱氧化性，而由于氫氣的積累，頂部空氣會(huì)略呈還原性，這種氧化還原梯度僅存在于非常局部的區(qū)域，甚至可能只有微米尺度，但卻有潛力為深層地殼中的生命提供適宜的生存環(huán)境?！捌渲匾裕氨冉趫?bào)道的海底‘暗氧’現(xiàn)象?！毖芯空咴谡撐闹袑懙?。

一旦相對穩(wěn)定的氧化還原對(如氫氣和過氧化氫)形成，氧化還原梯度便可以快速建立，并進(jìn)一步與地下水和巖石中的鐵發(fā)生反應(yīng)——即使是這樣局部的氧化還原條件，也可以將二價(jià)鐵氧化為三價(jià)鐵，或是將三價(jià)鐵還原為二價(jià)鐵。而隨著鐵參與其中，電子就能進(jìn)一步在碳、硫、氮等生命必需元素之間流動(dòng)。在接受新華社采訪時(shí)，研究者將這種能量機(jī)制比喻成一種長期的“電池”或是“地下電網(wǎng)”，可以源源不斷地為地下生命提供能量。

圖片來源：原論文

無處不在

從總量來看，地震導(dǎo)致的巖石破裂釋放的氫氣其實(shí)并不多。研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)地震震級、斷層面密度和地震頻率做了簡單估算，發(fā)現(xiàn)全球地震每年至少會(huì)產(chǎn)生1.1×103摩爾氫氣，這個(gè)數(shù)字其實(shí)比輻射性巖石和蛇紋石化，以及海洋系統(tǒng)中海水與巖石的反應(yīng)低很多。

然而，對深層地殼中生物的氧化還原循環(huán)來說，地震的作用不容忽視。如果從單位面積看，巖石破裂局部氫氣的產(chǎn)生速率很高，可以達(dá)到每平方米每年33.1摩爾，這個(gè)數(shù)字比輻射分解水和蛇紋石化至少高出5個(gè)數(shù)量級?！斑@樣局部的產(chǎn)氫速率對維持巖石內(nèi)棲息的微生物生命至關(guān)重要，特別是在一些開放裂隙內(nèi)?！闭撐闹薪忉尩?。在這些活動(dòng)的斷層中，形成了一個(gè)個(gè)微生物活動(dòng)與多樣性的局部熱點(diǎn)。

早在生命剛剛起源的時(shí)候，這些氧化還原反應(yīng)可能就已經(jīng)對深層生物圈產(chǎn)生了影響。而現(xiàn)在，這樣的氧化還原梯度依然存在于地層深處。同時(shí)，這樣的反應(yīng)并不一定要發(fā)生強(qiáng)烈的地震，在一些構(gòu)造活動(dòng)平靜的地區(qū)，甚至是在一些已經(jīng)停止構(gòu)造活動(dòng)的行星內(nèi)部，當(dāng)壓力分布發(fā)生變化時(shí)，巖石的破裂也可能會(huì)發(fā)生類似反應(yīng)。

“在木衛(wèi)二、土衛(wèi)二等天體的地下環(huán)境中，”論文中寫道，“這樣的過程可能也在發(fā)生?！?/p>

參考文獻(xiàn)

[1]https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adx5372#sec-2

[2]https://www.annualreviews.org/content/journals/10.1146/annurev-earth-031920-081957

[3]https://www.newscientist.com/article/2490993-deep-living-microbes-could-eat-energy-generated-by-earthquakes/

[4]https://www.eurekalert.org/news-releases/1091679

[5]https://baijiahao.baidu.com/s?id=1838180001329756894&wfr=spider&for=pc

來源：科普中國微信公眾號(hào)