生命與地球環境的相互作用和協同演化，造就了人們現在看到的豐富多彩的地球。而遠古時期的地球環境資訊，我們也能通過一種特殊的「信使」——地質微生物解讀出來。地質微生物是什麼？地球生物學是一門怎樣的學科？本次我們採訪到了中國科學院地學部院士、地球生物學家謝樹成，請他為我們講述地質微生物和地質生物學的故事。下文根據專訪內容整理。
01
地質微生物是什麼？
研究它有什麼用？
用「地質微生物」這個詞主要是為了區別於醫學微生物、工業微生物等概念。地質微生物有兩類：一類是古代死的微生物，一類是現在活的微生物。第一類是已經死掉的、地質時期的微生物，比如科學家從石頭中發現的；第二類是現在還活著的、參與地質作用的微生物，比如很硬的石頭最後風化變軟了，在風化過程中一些現代微生物就會起作用。
地質時期的微生物和我們常說的現代微生物還有其他一些區別，比如兩者的研究技術方法不同。
現代微生物可以用分子生物學方法進行研究，比如利用核酸（包括RNA、DNA）、蛋白質去開展研究。但是地質歷史時期的微生物大多不能遺留下核酸、蛋白質了，所以必須要用另外的技術方法，比如針對脂類進行研究。通過脂類可以很好地研究地質歷史時期的微生物。研究這種微生物的目的是要看微生物在地質過程中發揮的作用，例如它可以形成金屬礦、油氣等資源，也可以反映氣候環境的變化。
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左：砂金礦
右：磷礦
地質上的成礦作用，涉及物理過程、化學過程，還有生物過程。生物過程中比較重要的是微生物過程。比如有些礦是通過微生物作用富集起來，使得元素的含量從低到高，慢慢積累變成礦。例如很多沉積型的鐵礦、磷礦，甚至砂金礦等，都和微生物的作用有關係。除了金屬礦產，油氣等能源實際上也是微生物的產物。
除了成礦以外，微生物還可以用來尋找礦床。當地下有金屬礦床時，地表土壤的金屬含量會出現異常，並引起微生物群落髮生變化，因此礦區土壤的微生物群落和周圍土壤就會有差異，根據微生物群落的變化就可以找礦。對此國際上已經有很多研究了。
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大型礦坑 圖片來源：pixabay.com
礦石開採出來以後還要冶煉。在提煉的過程中，微生物也可以起作用。微生物可以把礦石裡面的礦物破壞掉，讓有用的元素釋放出來，這樣容易提取出來，這一過程叫微生物選礦或者微生物溼法冶金。
所以微生物在成礦、找礦、選礦方面都很有用。
02
地質微生物如何記錄環境的變化？
生物和環境的關係十分密切，生物的變化往往響應了一定環境條件的變化，可以根據生物的變化來反映環境變化，微生物也不例外，這是最基本的原理。在所有生物裡面，微生物對氣候環境的變化應該是比較靈敏的，因為它們大多是單細胞生物。一個地區的氣候發生微小變化時，微生物就可能發生很大的變化，因此用微生物來反映氣候環境是有一些優勢的。
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謝樹成院士論文 圖片來源：參考文獻
以前國際上研究得多的是用微生物來反映溫度變化，比如某個地質歷史時期的溫度是多少，可以用微生物的指標計算出來。不過氣候有很多因子，除了溫度以外，實際上乾溼狀況也是很關鍵的因子，但是國際上一直沒有在微生物方面找到一些衡量乾溼狀況的指標。所以我們這幾年一直在這方面努力，建立了一些微生物指標來反映乾溼古氣候的變化或者古水文條件的變化。
在地質歷史上保存下來的脂類化合物，以有機分子形式作為一種化石保存下來，因此被稱為分子化石。用微生物來反映溫度、乾溼狀況，實際上是用微生物遺留下來的脂類化合物。不同微生物的脂類化合物的相對含量變化、相同微生物的脂類含量以及結構的變化都能反映溫度或者乾溼狀況的變化。
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顯微鏡下的單細胞生物
環境溫度的變化首先會影響微生物的細胞膜，而細胞膜的變化可以體現在脂類上。微生物的細胞膜就相當於我們人的皮膚，所以微生物的細胞膜最容易感受到外界氣候環境的變化，也就是脂類最容易響應氣候環境的變化。
只要有了這些微生物指標，科學家就可以研究某個地質歷史時期的乾溼狀況。我們可以利用湖泊沉積物、土壤，甚至洞穴石筍等地質載體裡的微生物，只要能檢測出這些微生物的脂類，並計算相關的指標就可以用來研究乾溼狀況。這是我們團隊在國際上做得比較有新意的工作。
地質微生物不僅是「萬年計」了，還可以做到上億年。
03
利用微生物探究生物大滅絕的秘密
我有一項成果主要是針對二疊紀-三疊紀之交生物大滅絕的。說「解開秘密」有點過了，我們的工作實際上為理解這次生物大滅絕過程提供了一些答案。
之所以說「生物大滅絕的秘密」，是因為有關生物大滅絕的很多東西並不清楚。第一個是生物怎麼滅絕的。因為有各式各樣的生物存在，但人們卻不清楚這些不同的生物到底是怎麼滅絕的。第二個是什麼因素導致生物滅絕。第三個是生物滅絕後生態系統又是如何復甦的。這是三個很重要的難點問題。之前的研究主要是針對生物本身，特別是宏體生物化石。我們把和生物有關的環境因素也考慮進去了，包括海洋環境、氣候狀況（溫度、乾溼狀況等）等。
比如利用微生物的變化，我們發現這次生物大滅絕是分兩幕出現的。以前一些科學家認為生物是一下子突然滅絕的（一幕），但是我們發現是兩幕，而且這兩幕間隔的時間還比較長。這種從一幕到兩幕的變化，意味著生物滅絕的原因可能也不一樣。
以前的「一幕」說，一些學者猜測滅絕原因可能與外星體撞擊有關，外星體撞擊地球導致生物一下子滅絕了。但如果是間隔時間較長的「兩幕」，很可能和外星體撞擊不一定有關係。
後來我們根據地質微生物的分佈情況等，提出實際上是地球內部的因素（比如火山爆發）導致的兩幕式生物大滅絕。
實際上，在這次生物大滅絕之前，還有一個叫做生物小型化的過程。原來生物個體大小都比較正常，突然在滅絕之前個體變小了，因此叫小型化。生物在經歷了小型化之後開始滅絕。搞清楚古代生物的這些詳細滅絕過程，找出導致滅絕的原因，有助於預警和應對現代地球生態系統的危機。
04
從0到1的工作
我現在的研究方向地球生物學，是地質學下面的一個二級學科，屬於地球科學和生命科學的交叉學科。從化學轉到地球生物學可以說是件很偶然的事情。
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謝樹成院士 圖片來源：中國地質大學地球科學學院
我1985年進入中國地質大學（武漢）開始讀本科的專業是化學。入校以後，學校專門要成立一個地球科學實驗班，進行教學改革。從當年入校的1300個新生中挑選出30名學生組成一個班級，挑選過程需要經過面試、考試等環節。我一時興起就去報名考試了，最後居然考上了。所以我就從化學專業轉到了地球科學實驗班，從那時開始進入地質學的學習和研究。
1997年，我在中國科學院蘭州冰川凍土研究所做博士後，要去青藏高原海拔7000米打冰芯進行氣候研究。當時導師姚檀棟院士因擔心我身體而不太同意我去，因為我之前從來沒上過青藏高原。因機會難得，我最終說服姚老師讓我去了。我們住在海拔5800米的二號營地，每天要上到7000米的地方採雪，還要趕在太陽下山之前把背下來的雪在二號營地融化掉，以便把雪冰裡的有機物提取出來。
有一次，晚上雪下得很大，把前一天走的路全都蓋掉了，根本不知道哪裡有冰裂隙。我一個人去取樣，走著走著就掉進了一個冰裂隙，好在我背了一個很大的取樣桶，所以卡住了，沒有掉進更深的裂隙裡。我自己慢慢爬出冰裂隙之後，感覺腿都軟了，坐在原地不敢動了，直到大部隊過來才一起再上7000米處取樣。
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新提取出來的羌塘冰川冰芯 攝影：極地未來
搞地質的人肯定有很多終身難忘的幸福故事，畢竟無限風光在險峰！當然，現在搞地質工作的條件要好得多。
從我剛走入這個研究領域到現在，我覺得中國科學家做出的成果比較有影響的有幾個方面：
第一，和國際同行一道，推動地球生物學這個學科的發展。很多中國科學家在開拓地球生物學學科的過程中起到了重要作用，是國際上的一支領導力量，這一點無論是對學科的建立、發展，還是對人才培養、科學研究都特別重要。比如我的導師殷鴻福院士在這方面做出了很大的貢獻。
第二，有很多科學家在從事微生物參與地質作用過程的研究（比如成礦，找礦，選礦），也已經應用到了實踐中。
第三，利用微生物來反映地質歷史時期溫度、乾溼狀況等氣候環境的變化，包括我們在內的中國科學家在這方面做了一些工作，提出的一些方法、指標被國際學術界所應用來解決實際地質問題。
我現在的研究方向裡包括地質病毒。凍土解凍之後釋放的病毒可能是古病毒，國際上有人提出過古病毒學的概念並做了一些研究工作，主要從分子生物學角度開展研究。地質病毒應該是比古病毒的年代還要久遠，特別是以各種形式保存在岩石中的地質時期的病毒或者遺蹟，難以用分子生物學開展研究。我們關注的不僅僅是它們能夠保存的地質記錄，更重要的是它們會對地質環境會產生什麼作用，即地質病毒怎麼影響地質過程。
想要找到病毒必須要有很好的技術手段。比如新冠病毒，我們通過核酸檢測就可以確定它是否存在。但是地質病毒沒有核酸和蛋白質遺留下來，大部分病毒連脂類也沒有。針對這種情況，我們需要想一些另外的辦法。我有2個博士生在嘗試做地質病毒的探索，他們在做一些努力，希望等他們畢業時我們會取得成功，這是一個很有挑戰性的工作。
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謝樹成院士研究團隊 圖片來源：中國地質大學
我更喜歡學生做從0到1的工作。一些學生更願意做從1到10的工作，是因為從0到1的工作風險很大而且不可預料。我和學生說，不用擔心，肯定會有好東西出來；雖然不確定能不能達到我們預想的目標，但是肯定會有新的東西出來。因為你做的東西不一樣，你的想法和思路都不一樣，肯定會有新的東西出來。