拒绝死亡的土壤

# 拒绝死去的土壤 | Quanta杂志 来源：https://www.quantamagazine.org/the-dirt-that-refused-to-die-20260601/ 15年来，塞巴斯蒂安·方丹一直试图杀死土壤。这位在法国国家农业、食品与环境研究所领导一个实验室的生物化学家，想知道土壤——完全不含生命的纯粹泥土——能释放多少碳。他的团队将土壤密封在罐子里，并用灭菌伽马辐射进行轰击。然后他们等待土壤释放二氧化碳——这是微生物持续呼吸的标志——逐渐下降。 他们等待，再等待，继续等待：数周，然后数月。在显微镜下，被辐射过的土壤没有显示出生命迹象，但它仍在释放二氧化碳。土壤不肯停止呼吸。 方丹的实验室重复了实验，得到了同样的结果。最终，他们确信这并非实验设置的伪影，于是着手寻找死土中呼吸的来源。 如今，方丹及其同事报告称，他们的土壤样本持续消耗氧气并排放二氧化碳（https://doi.org/10.1126/sciadv.adw9065）长达六年。在2025年发表于《科学进展》的一篇论文中，他们提出，一种为大部分生命提供能量的代谢过程，在活细胞之外也可能存在。他们的实验指向了这种过程如何在泥土中运作——在没有通常组织它的活性蛋白质的情况下。如果他们是正确的，那么某些生化反应，比如释放富含碳的糖分子能量的反应，可能并非生命所独有。方丹说，这类反应——当由细胞执行时被称为代谢——甚至可能在地球生命出现之前就已存在。 这些实验展示了“生物分子在无人管控时会发生什么”，渥太华大学的有机化学家约瑟夫·莫兰（https://www.uottawa.ca/faculty-science/professors/joseph-moran）说，他未参与这项研究。他补充道，他们发现生命的化学反应并非生命所独有，“它是地质的化学”。 ## **活着的死者** 当方丹意外发现这一现象时，他正试图为无生命土壤中的碳建立一个基线。研究人员使用无菌注射器定期从密封的土壤罐中抽取空气样本，并用质谱仪测量其碳含量。辐射消灭土壤微生物后，碳排放速率迅速下降，但并未消失。它稳定保持了超过100天。 当他将结果与其他研究人员分享时，他们建议他将其视为实验伪影——一个不值得深究的误差来源，并继续前进。但他做不到。他需要弄清楚，一个已知仅发生在生物细胞内的代谢过程——一系列需要多种分子和酶的精确编排的化学反应——是否正在无菌土壤中展开。为了观察发生了什么，他的团队添加了一小撮从酵母培养物中提取的酶。土壤的碳排放立即飙升。他们推测，这是因为酶加速了一个已经在发生的反应。 然而，说服科学界是一场艰苦的战斗。方丹回忆，当他把手稿提交给期刊发表时，一些审稿人“非常积极，而另一些则高度怀疑，尤其是关于土壤的无菌性”。2013年，这些结果发表在《生物地球科学》期刊上（https://doi.org/10.5194/bg-10-1155-2013）。尽管如此，方丹无法安歇。受到严厉评审的打击，他决定最终证明他辐射过的土壤样本确实没有生命。在接下来的十年里，他的实验室断断续续地攻克着他们的执念。 他们考虑了土壤实际上并未真正死亡的可能性，并试图用更多的辐射、压力和热量来更彻底地杀死它。然而，土壤仍然持续排放二氧化碳数月之久。 通过电子显微镜，当时是方丹实验室研究生伯努瓦·凯拉瓦尔在辐射过的土壤中发现了细胞。但染色显示没有RNA或DNA分子，表明这些细胞确实已经死亡。当他们实验性地添加微生物以模拟污染时，这些细胞迅速在土壤微世界中重新定殖并释放出更多的二氧化碳。因此，他们在灭菌样本中观察到的不太可能是消毒措施不足的结果。 到2018年克莱芒坦·布凯加入实验室时，团队已经对自己的发现充满信心，并准备深入挖掘其背后的机制。 ## **肮脏的电子** 六年来，布凯和凯拉瓦尔研究了两组密封的、辐射过的土壤样本——一组是普通土壤，另一组添加了葡萄糖。在142天里，他们定期采集空气样本，观察到二氧化碳的日排放速率下降但未消失，就像之前一样。然后样本在培养箱中放置了超过1000天，研究人员专注于他们关于微生物如何在土壤中处理和储存碳的其他实验。 当他们再次测量样本时——在第1606天和第2442天——排放速率进一步减慢，但土壤仍在呼吸。添加葡萄糖的样本显示出更高的排放速率，这加强了方丹的怀疑：土壤中的非生物催化剂可以诱导类似于糖代谢分解的反应。 在代谢过程中，糖被分解成更小的碳分子，这些分子喂入克雷布斯循环——一系列反应，其中高能电子从富碳分子上被剥离。克雷布斯循环释放的电子随后通过另一组消耗氧气的反应。对某些研究人员来说，认为这一过程可以在细胞外进行是牵强的。方丹需要证明土壤可以扮演同样的角色。 他设计了一个燃料电池，可以检测电子以电流形式穿过土壤。他的团队添加了将近五年前辐射过的土壤，然后闭合电路。通过土壤的电流比涉及盐溶液的对照组高出几倍。根据方丹的说法，实验证明无菌土壤支持电子流，这暗示了类似于克雷布斯循环中依赖氧的代谢过程。 克莱芒坦·布凯手持一个玻璃小瓶。 当克莱芒坦·布凯于2018年加入实验室时，他共同领导了一项为期六年的实验，该实验表明即使在无菌土壤中也发生类似生命的生物化学。 Öykü Ataytür 人们曾认为克雷布斯循环不可能在细胞受控的边界之外发生——细胞内充满了酶，这些酶使一切保持运转，并增加生物分子相互碰撞的几率（https://www.quantamagazine.org/the-biophysical-world-inside-a-jam-packed-cell-20260218/）。在2025年预发布在biorxiv.org（https://doi.org/10.1101/2025.07.30.667751）上的一项研究中，方丹及其同事报告称，在放置6个月的无菌土壤样本中观察到已知属于克雷布斯循环的八种中间分子中的四种。这些分子中有许多是在辐射后形成的。 根据作者的说法，他们的结果表明，土壤团块确实可以在没有生命存在的情况下催化这些反应。 ## **生命的起源？** 对于加州大学圣巴巴拉分校的土壤生态学家约书亚·希梅尔来说，方丹的发现并不太令人惊讶。“葡萄糖在氧化过程中自然会产生一些克雷布斯循环中间产物，”他说。许多土壤富含氧化铁和氧化铝，这些可以催化这一转化，他补充道。 金属能够催化生化反应的想法，是过去十年中出现的一个关于生命起源理论的核心。铁、锌等金属位于许多最古老酶的核心，这些酶在各类生命形式中都能找到。包括莫兰在内的一些研究人员认为，它们可能在生命出现之前就已经催化了这些反应。包括他的研究（https://doi.org/10.1021/jacsau.6c00312）在内的研究表明，那些通常与生命相关的葡萄糖衍生物分解和构建的化学反应，可能在使它们能在活细胞中进行的酶和基因出现之前就已存在。 “包括我在内的少数研究人员认为，实际上，我们应该以不同的方式来组织我们对生命的思考——我们应该把代谢置于生命活动的基础位置，而基因则是更高级别控制它的方式，”莫兰说。 柏林夏里特大学医院的生物化学家马库斯·拉尔泽（https://biochemie.charite.de/en/metas/person/person/address_detail/prof_dr_markus_ralser）说，无细胞的代谢反应可能比以前认为的更常见，并且不需要特殊条件就能启动。他发现了最早的一些无酶代谢反应（https://doi.org/10.1002/msb.20145228）。 “这有点符合我对代谢在进化中如何开始的看法，”谈到这项新工作时他说，“如果它非常难以发生，那么现在地球上就不会充满生命了。”然而，这一观点由于生命起源时的低氧条件而变得复杂。 对观察到的结果的另一种解释是，从辐射过的细胞中释放出来的酶可能仍悬浮在土壤中并继续它们的生化工作。即使被降解，酶也有稳定的骨架，可能仍能催化反应，印度科学教育与研究学院浦那分校的天体生物学家苏达·拉贾马尼（https://www.sudharajamani.com/）说，她未参与这项研究。 拉尔泽同意她的看法。“我的直觉是，即使在六年之后，他们（方丹的辐射土壤）中仍然有很多酶存在，”他说。为了弄清土壤中的金属和矿物质是否能自发进行这些反应，研究人员必须从混合物中去除酶。但这非常困难：他们必须将土壤加热到会破坏土壤结构本身的温度。 然而，布凯说，这些酶在从细胞中泄漏后其活性会“指数级”下降。此外，方丹补充说，没有已知的酶能持续六年。他不怀疑由活细胞和刚死亡的细胞释放的酶在现实土壤中对碳排放有贡献，但长期实验结果表明，“我们观察到的呼吸由酶引起的可能性非常小，”他说。 对于布凯来说，追逐这持续多年的执念突显了“即使是在像陆地土壤这样与我们如此接近和熟悉的环境中，我们并不总是能够区分或识别表明生物体存在或不存在的进程。”他现在是巴黎法兰西学院和国立自然历史博物馆的研究员，正在寻找其他生化级联的益生源。 “我觉得特别有趣的是，去想象那些可能早于生命本身的过程就在我们脚下幸存下来，”布凯说。