地質化學：當死去的土壤仍在呼吸

十五年來，生物化學家 Sébastien Fontaine 一直在進行一場奇特的鬥爭：試圖殺死泥土。

為了建立無生命土壤中碳排放的基準線，Fontaine 與他在法國國家農業、食品與環境研究所（French National Institute for Agriculture, Food, and Environment）的團隊使用了伽瑪射線來對土壤樣本進行滅菌。他們原以為一旦生命消失，二氧化碳排放——微生物呼吸作用的標誌——將會完全停止。

然而，他們發現土壤竟然持續在「呼吸」。即使在射線抹除微生物後，甚至在隨後的數年內，無菌土壤仍持續消耗氧氣並排放二氧化碳。這項發現挑戰了一個基本的生物學假設：代謝是僅限於活細胞的過程。

非生物性呼吸作用的持續性

Fontaine 的研究結果最初遭到了質疑。科學界許多人將這些結果視為實驗誤差，或者認為土壤並未被完全滅菌。然而，該團隊花了一十年的時間嚴格證明了樣本的無菌性。透過使用電子顯微鏡，他們辨識出了細胞，但染色測試證實了 RNA 和 DNA 的缺失，證明了這些細胞是死亡的。

為了進一步調查，團隊進行了一項為期六年的實驗。他們觀察到添加了葡萄糖的土壤顯示出較高的排放率，這表明土壤中的非生物催化劑正在誘導產生類似於糖類代謝分解的反應。

模擬克雷伯氏循環（Krebs cycle）

這項研究最引人注目的方面之一是觀察到了類似於克雷伯氏循環的過程——這是一系列細胞用來從富含碳的分子中剝離高能電子的反應。Fontaine 的團隊報告稱，在六個月大的無菌土壤中觀察到了克雷伯氏循環八個中間分子中的四個。

為了證明這不僅僅是表面層級的化學反應，Fontaine 開發了一個燃料電池來檢測電子流。結果顯示，通過照射過的土壤中流過的電流比對照組鹽水溶液顯著更高，這表明電子流與依賴氧氣的代謝作用一致。

地質化學 vs. 生物化學

這項研究表明，「生命的化學」可能實際上是「地質的化學」。有機化學家 Joseph Moran 指出，生命的化學並不專屬於生命，這意味著這些代謝反應可能在生物細胞出現之前就已經存在了。

礦物催化劑的角色

土壤生態學家 Joshua Schimel 建議，土壤中鐵和鋁氧化物的存在可以催化葡萄糖的氧化，自然地形成克雷伯氏循環的中間產物。這與一個更廣泛的理論相符，即鐵和鋅等金屬在許多古代酶的中心起著關鍵作用，在生命演化之前，這些金屬可能就已經催化了這些反應。

酶的爭議

並非所有研究人員都相信這是一個純粹的地質過程。一些人，包括太空生物學家 Sudha Rajamani 和生物化學家 Markus Ralser，認為從死細胞中釋放的酶可能殘留在土壤中並繼續催化反應。

然而， Fontaine 和他的同事 Clémentin Bouquet 認為，酶的活性通常會呈指數級下降，且目前已知沒有任何一種酶能在六年的時間內保持活性。他們主張，排放的長期性使得生物酶殘留物成為一個不太可能的解釋。

更廣泛的影響

這項發現對於多個科學領域具有深遠的影響：

• 生命起源： 如果代謝可以發生在沒有細胞結構限制的情況下，這支持了「代謝優先」假說，即地質化學過程創造了生命出現所需的能量梯度。

• Astrobiology： 這項發現可能會使搜尋其他行星上的生命變得更加複雜。正如一位觀察者所言，如果代謝產物可以非生物性地產生，它們可能會在火星的土壤實驗中提供「偽陽性」結果。

• 行星科學： 意識到地球的最表層地殼是一個生物構造——由數十億年的生命所改造——這引發了關於在從未孕育過生命的其它行星的風化層（regolith）中，是否會發生類似過程的問題。

正如 Clémentin Bouquet 所說，這些可能早於生命本身的過程，其生存狀態就發生在「就在我們腳下的土地裡」。