地质化学：当死去的土壤仍在呼吸

十五年来，生物化学家 Sébastien Fontaine 一直在进行一场奇特的斗争：试图杀死土壤。

为了建立无生命土壤中碳排放的基准，Fontaine 和他在法国国家农业、食品与环境研究所（French National Institute for Agriculture, Food, and Environment）的团队使用了伽马射线进行土壤样本的灭菌处理。他们原本预期，一旦生命消失，作为微生物呼吸标志的二氧化碳排放将会完全停止。

然而，他们发现土壤仍在继续“呼吸”。即使在辐射消灭了微生物之后，甚至在随后的数年里，无菌土壤仍然在消耗氧气并排放二氧化碳。这一发现挑战了一个基本的生物学假设：代谢是一个仅属于活细胞的过程。

非生物呼吸的持续性

Fontaine 的发现最初遭到了质疑。科学界许多人将这些结果视为实验误差，或者认为土壤并未被完全灭菌。

然而，该团队花费了十年时间严谨地证明了样本的无菌性。通过使用电子显微镜，他们识别出了细胞，但染色实验确认了 RNA 和 DNA 的缺失，证明了这些细胞已经死亡。

为了进一步调查，团队进行了一项为期六年的实验。他们观察到，补充了葡萄糖的土壤显示出更高的排放率，这表明土壤中的非生物催化剂正在诱导类似于糖类代谢分解的反应。

模拟克雷布斯循环

这项研究中最引人注目的方面之一是观察到了类似于克雷布斯循环（Krebs cycle）的过程——这是一系列细胞用于从富碳分子中剥离高能电子的反应。Fontaine 的团队报告称，在六个月大的无菌土壤中观察到了克雷布斯循环八个中间产物分子中的四个。

为了证明这不仅仅是表面层面的化学反应，Fontaine 开发了一个燃料电池来检测电子流。结果显示，流经辐照土壤的电流显著高于对照组的海水溶液，这表明电子流与依赖氧气的代谢过程一致。

地质化学 vs. 生物化学

这项研究表明，“生命的化学”可能实际上是“地质的化学”。有机化学家 Joseph Moran 指出，生命的化学并不专属于生命，这意味着这些代谢反应可能早于生物细胞的出现。

矿物催化剂的作用

土壤生态学家 Joshua Schimel 提出，土壤中铁和铝氧化物的存在可以催化葡萄糖的氧化，从而自然地形成克雷布斯循环的中间产物。这与一个更广泛的理论相一致：铁和锌等金属在许多古代酶中起着核心作用，它们可能在生命进化之前就催化了这些反应。

酶的争论

并非所有研究人员都convinced（确信）这纯粹是一个地质过程。一些人，包括天体生物学家 Sudha Rajamani 和生物化学家 Markus Ralser，认为从死细胞中释放出的酶可能残留在土壤中并继续催化反应。

然而， Fontaine 和他的同事 Clémentin Bouquet 认为，酶的活性通常会呈指数级下降，而且目前已知没有哪种酶能在六年的时间里保持活性。他们认为，排放的长期性使得生物酶残留物成为一个不太可能的解释。

更广泛的影响

发现无菌土壤可以模拟代谢过程，对多个科学领域具有深远影响：

• 生命起源： 如果代谢可以在没有细胞约束的情况下发生，它支持了“代谢优先”假说，即地球化学过程创造了生命出现所需的能量梯度。

• 天体生物学： 这一发现可能会使在其他行星上寻找生命的过程变得更加复杂。正如一位观察者所言，如果代谢产物可以非生物地产生，它们可能会在火星的土壤实验中提供“假阳性”结果。

• 行星科学： 意识到地球表层的地壳是一个生物构建物——经过数十亿年生命的改造——这引发了关于在从未有过生命的其它行星的月壤（regolith）中是否会发生类似过程的问题。

正如 Clémentin Bouquet 所说，那些可能早于生命本身的过程正在“就在我们的脚下发生”。