谢树成院士：亿万年前地球的秘密，我们如何解读 | 大咖访谈
2022/12/23 7:00:00 科学大院
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生命与地球环境的相互作用和协同演化，造就了人们现在看到的丰富多彩的地球。而远古时期的地球环境信息，我们也能通过一种特殊的“信使”——地质微生物解读出来。地质微生物是什么？地球生物学是一门怎样的学科？我们专访到了中国科学院地学部院士、地球生物学家谢树成。
谢树成院士专访(本文根据专访内容整理)
研究地质微生物有什么用？
问：您能向我们介绍一下什么是地质微生物吗？
答：用“地质微生物”这个词主要是为了区别于医学微生物、工业微生物等概念。
地质微生物有两类：一类是古代死的微生物，一类是现在活的微生物。
第一类是已经死掉的、地质时期的微生物，比如科学家从石头中发现的；第二类是现在还活着的、参与地质作用的微生物，比如很硬的石头最后风化变软了，在风化过程中一些现代微生物就会起作用。
地质时期的微生物和我们常说的现代微生物还有其他一些区别，比如两者的研究技术方法不同。
现代微生物可以用分子生物学方法进行研究，比如利用核酸(RNA、DNA)、蛋白质去开展研究。但是地质历史时期的微生物大多不能遗留下核酸、蛋白质了，所以必须要用另外的技术方法，比如针对脂类进行研究。通过脂类可以很好地研究地质历史时期的微生物。研究这种微生物的目的是要看微生物在地质过程中发挥的作用，例如它可以形成金属矿、油气等资源，也可以反映气候环境的变化。
问：地质微生物跟矿产有什么样的关系？
答：地质上的成矿作用，涉及物理过程、化学过程，还有生物过程。生物过程中比较重要的是微生物过程。比如有些矿是通过微生物作用富集起来，使得元素的含量从低到高，慢慢积累变成矿。例如很多沉积型的铁矿、磷矿，甚至砂金矿等，都和微生物的作用有关系。除了金属矿产，油气等能源实际上也是微生物的产物。
除了成矿以外，微生物还可以用来寻找矿床。当地下有金属矿床时，地表土壤的金属含量会出现异常，并引起微生物群落发生变化，因此矿区土壤的微生物群落和周围土壤就会有差异，根据微生物群落的变化就可以找矿。国际上已经有很多研究了。
矿石开采出来以后还要冶炼。在提炼的过程中，微生物也可以起作用。微生物可以把矿石里面的矿物破坏掉，让有用的元素释放出来，这样容易提取出来，这一过程叫微生物选矿或者微生物湿法冶金。
所以微生物在成矿、找矿、选矿方面都很有用。
大型矿坑
图片来源：pixabay.com
微生物，是“亿年温度计”、“亿年湿度计”
问：您是怎么想到用地质微生物来研究气候变化的呢？
答：生物和环境的关系十分密切，生物的变化往往响应了一定环境条件的变化，可以根据生物的变化来反映环境变化，微生物也不例外，这是最基本的原理。在所有生物里面，微生物对气候环境的变化应该是比较灵敏的，因为它们大多是单细胞生物。一个地区的气候发生微小变化时，微生物就可能发生很大的变化，因此用微生物来反映气候环境是有一些优势的。
以前国际上研究得多的是用微生物来反映温度变化，比如某个地质历史时期的温度是多少，可以用微生物的指标计算出来。不过气候有很多因子，除了温度以外，实际上干湿状况也是很关键的因子，但是国际上一直没有在微生物方面找到一些衡量干湿状况的指标。所以我们这几年一直在这方面努力，建立了一些微生物指标来反映干湿古气候的变化或者古水文条件的变化。
谢树成院士论文
图片来源：参考文献
问：有人把地质微生物称为“万年温度计”，通过“分子化石”能得到温度信息，分子化石又是什么？
答：在地质历史上保存下来的脂类化合物，以有机分子形式作为一种化石保存下来，因此被称为分子化石。用微生物来反映温度、干湿状况，实际上是用微生物遗留下来的脂类化合物。不同微生物的脂类化合物的相对含量变化、相同微生物的脂类含量以及结构的变化都能反映温度或者干湿状况的变化。
环境温度的变化首先会影响微生物的细胞膜，而细胞膜的变化可以体现在脂类上。微生物的细胞膜就相当于我们人的皮肤，所以微生物的细胞膜最容易感受到外界气候环境的变化，也就是脂类最容易响应气候环境的变化。
只要有了这些微生物指标，科学家就可以研究某个地质历史时期的干湿状况。我们可以利用湖泊沉积物、土壤，甚至洞穴石笋等地质载体里的微生物，只要能检测出这些微生物的脂类，并计算相关的指标就可以用来研究干湿状况。这是我们团队在国际上做得比较有新意的工作。
地质微生物不仅是“万年计”了，还可以做到上亿年。
二叠纪-三叠纪的生物大灭绝是怎么回事？
问：您获得国家自然科学奖的一项成果是“解开了地球生物大灭绝的秘密”，请问这个秘密是什么呢？
答：这个成果主要是针对二叠纪-三叠纪之交生物大灭绝的。说“解开秘密”有点过了，我们的工作实际上为理解这次生物大灭绝过程提供了一些答案。
之所以说“生物大灭绝的秘密”，是因为有关生物大灭绝的很多东西并不清楚。第一个是生物怎么灭绝的。因为有各式各样的生物存在，但人们却不清楚这些不同的生物到底是怎么灭绝的。第二个是什么因素导致生物灭绝。第三个是生物灭绝后生态系统又是如何复苏的。这是三个很重要的难点问题。之前的研究主要是针对生物本身，特别是宏体生物化石。我们把和生物有关的环境因素也考虑进去了，包括海洋环境、气候状况(温度、干湿状况等)等。
比如利用微生物的变化，我们发现这次生物大灭绝是分两幕出现的。以前一些科学家认为生物是一下子突然灭绝的(一幕)，但是我们发现是两幕，而且这两幕间隔的时间还比较长。这种从一幕到两幕的变化，意味着生物灭绝的原因可能也不一样。
以前的“一幕”说，一些学者猜测灭绝原因可能与外星体撞击有关，外星体撞击地球导致生物一下子灭绝了。但如果是间隔时间较长的“两幕”，很可能和外星体撞击不一定有关系。后来我们根据地质微生物的分布情况等，提出实际上是地球内部的因素(比如火山爆发)导致的两幕式生物大灭绝。
实际上，在这次生物大灭绝之前，还有一个叫做生物小型化的过程。原来生物个体大小都比较正常，突然在灭绝之前个体变小了，因此叫小型化。生物在经历了小型化之后开始灭绝。搞清楚古代生物的这些详细灭绝过程，找出导致灭绝的原因，有助于预警和应对现代地球生态系统的危机。
从化学到地质，有什么故事？
问：您大学最开始是应用化学专业的，是怎么转到地学研究上来的呢？
答：我现在的研究方向地球生物学，是地质学下面的一个二级学科，属于地球科学和生命科学的交叉学科。从化学转到地球生物学可以说是件很偶然的事情。
我1985年进入中国地质大学(武汉)开始读本科的专业是化学。入校以后，学校专门要成立一个地球科学实验班，进行教学改革。从当年入校的1300个新生中挑选出30名学生组成一个班级，挑选过程需要经过面试、考试等环节。我一时兴起就去报名考试了，最后居然考上了。所以我就从化学专业转到了地球科学实验班，从那时开始进入地质学的学习和研究。
谢树成院士
图片来源：中国地质大学地球科学学院
问：在您这么多年的地质学研究过程中，有什么难忘的故事？
答：我说一个非常深刻、难忘的经历吧。1997年，我在中国科学院兰州冰川冻土研究所做博士后，要去青藏高原海拔7000米打冰芯进行气候研究。当时导师姚檀栋院士因担心我的身体而不太同意我去，因为我之前从来没上过青藏高原。因机会难得，我最终说服姚老师让我去了。我们住在海拔5800米的二号营地，每天要上到7000米的地方采雪，还要赶在太阳下山之前把背下来的雪在二号营地融化掉，以便把雪冰里的有机物提取出来。
有一次，晚上雪下得很大，把前一天走的路全都盖掉了，根本不知道哪里有冰裂隙。我一个人去采样，走着走着就掉进了一个冰裂隙，好在我背了一个很大的采样桶，所以卡住了，没有掉进更深的裂隙里。我自己慢慢爬出冰裂隙之后，感觉腿都软了，坐在原地不敢动了，直到大部队过来才一起再上7000米处取样。
搞地质的人肯定有很多终身难忘的幸福故事，毕竟无限风光在险峰!当然，现在搞地质工作的条件要好得多。
从0到1的工作
问：在您的研究领域，碳中和带来了怎样的挑战和机遇？
答：地球上的生命都是碳基生命。有些微生物是碳源，产生二氧化碳、甲烷等温室气体。有些微生物则起碳汇作用，能够吸收和转化这些气体。不同微生物对碳循环的作用是不一样的，甚至是完全相反的。地质微生物与碳中和的关系因而很复杂，所以现在很多人在开展这方面的研究，研究哪些微生物在什么条件下可以通过碳循环对气候起正反馈作用，在什么条件下又能起到负反馈作用，这些工作对碳中和特别重要。因此，地质微生物或者地球生物学可以为碳中和做出很大的贡献，是双碳目标特别需要关注的学科领域。
问：从刚走入这个研究领域到现在，您觉得中国科学家有哪些重磅的成果？
答：我觉得比较有影响的有几个方面：
第一，和国际同行一道，推动地球生物学这个学科的发展。很多中国科学家在开拓地球生物学学科的过程中起到了重要作用，是国际上的一支领导力量，这一点无论是对学科的建立、发展，还是对人才培养、科学研究都特别重要。比如我的导师殷鸿福院士在这方面做出了很大的贡献。
第二，有很多科学家在从事微生物参与地质作用过程的研究(比如成矿，找矿，选矿)，也已经应用到了实践中。
第三，利用微生物来反映地质历史时期温度、干湿状况等气候环境的变化，包括我们在内的中国科学家在这方面做了一些工作，提出的一些方法、指标被国际学术界所应用来解决实际地质问题。
问：您现在的研究方向里包括地质病毒，这是个很新的概念，是不是指冻土解冻之后释放的病毒？
答：冻土解冻之后释放的病毒可能是古病毒，国际上有人提出过古病毒学的概念并做了一些研究工作，主要从分子生物学角度开展研究。地质病毒应该是比古病毒的年代还要久远，特别是以各种形式保存在岩石中的地质时期的病毒或者遗迹，难以用分子生物学开展研究。我们关注的不仅仅是它们能够保存的地质记录，更重要的是它们会对地质环境会产生什么作用，即地质病毒怎么影响地质过程。
问：怎么找到地质病毒？
答：想要找到病毒必须要有很好的技术手段。比如新冠病毒，我们通过核酸检测就可以确定它是否存在。但是地质病毒没有核酸和蛋白质遗留下来，大部分病毒连脂类也没有。针对这种情况，我们需要想一些另外的办法。我有2个博士生在尝试做地质病毒的探索，他们在做一些努力，希望等他们毕业时我们会取得成功，这是一个很有挑战性的工作。
我更喜欢学生做从0到1的工作。一些学生更愿意做从1到10的工作，是因为从0到1的工作风险很大而且不可预料。我和学生说，不用担心，肯定会有好东西出来；虽然不确定能不能达到我们预想的目标，但是肯定会有新的东西出来。因为你做的东西不一样，你的想法和思路都不一样，肯定会有新的东西出来。
谢树成院士研究团队
图片来源：中国地质大学
参考文献：
[1] 谢树成，黄咸雨，杨欢，秦养民。示踪全球环境变化的微生物代用指标。第四纪研究，2013，33(1)：1-18
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