压电矿物为地球深处生命提供能量

自然环境中的压电效应是指某些晶体（如石英）受机械应力产生电荷的现象，这可能为没有阳光的地球深处领域的微生物生命提供动力。根据 2026 年 2 月 5 日发表在 Environmental and Biogeochemical Processes 上的一项突破性综述，沉积物压实和构造运动对这些矿物施加压力，产生微生物用于代谢的电压梯度。这一发现确立了生命的第三大能量支柱，超越了传统对光合作用和化学氧化还原反应的依赖。

几十年来，科学界的共识认为地球生命由两条主要能量途径维持：捕获太阳能的光合作用（photosynthesis），以及微生物摄取海洋和土壤中还原性化合物的化能合成（chemosynthesis）。然而，由通讯作者 Shungui Zhou 领导的日本 Tokyo 研究团队发现了一种“隐藏”的能量来源：机械力转化为可利用的电能。这一被称为机械生物地球化学（mechano biogeochemistry）的新框架表明，地球本身的物理运动——从河流流动到构造板块移动——提供了持续且弥散的电子流，支撑着深部生物圈（deep biosphere）。

什么是自然环境中的压电效应？

自然环境中的压电效应是机械应力（如挤压、弯曲或振动）使特定矿物发生形变，从而产生可测量电荷的过程。包括石英、钛酸钡和氧化锌在内的常见矿物充当了天然换能器，将环境运动的动能转化为电势。这种能量可以被电活性微生物（electroactive microorganisms）获取，它们利用细胞表面的专门电子转移系统来为代谢过程提供动力。

研究团队概述了一种独立于太阳能输入、运作复杂的两步能量途径。首先，压电材料的机械形变产生过剩电子；其次，当地微生物群落捕获这些电子以驱动氧化还原反应并支持生长。这种机制在俯冲带或河床等机械活动频繁的区域尤为关键，那里物理运动丰富，但传统的化学燃料可能稀缺。实验室实验已经证明，这些受激发的矿物可以维持微生物固碳、氮转化，甚至生物塑料的生产。

机械能能否解释早期地球的生命？

机械能在早期地球上可能发挥了关键作用，它为生命起源前的化学反应提供了必要的活化能，并在光合作用进化之前维持了原始代谢。在冥古宙和太古宙期间，剧烈的构造活动、波浪作用和频繁的陨石撞击产生了巨大的机械应力。这些力量可能产生了合成氨基酸和最初的生物地球化学循环所需的电压梯度和活性分子。

合著者 Lingyu Meng 指出，这一框架有助于填补我们对生命如何在年轻地球极端缺氧环境中持续存在的理解空白。在大气变得富氧之前，构造应变和沉积物磨碎提供了稳定虽然少量的能量，且比地表条件波动更小。这种“机械电池”可能提供了一条过渡途径，让早期生物能够开发出现代生命形式中可见的复杂代谢机制。通过解释这些能量流，科学家现在可以完善地球早期历史和深部生物圈韧性的模型。

机械能如何影响天体生物学和生命探测？

在天体生物学领域，机械能是一个具有变革性的概念，因为它表明生命可能在缺乏阳光但地质活动活跃的星球上繁衍生息，例如火星地下或木星和土星的冰冷卫星。 Europa 和 Enceladus 等卫星上的潮汐力导致持续的内部摩擦和“冰层脱离”，可能产生足够的压电能量来支持其隐藏海洋中的微生物生态系统。这扩展了“宜居性”的定义，将任何具有显著机械或构造活动的星球都纳入其中。

这对天体生物学（astrobiology）的影响是深远的，因为寻找地外生命的历史重点一直集中在存在液态水和阳光的“宜居带”。然而，如果机械力可以维持代谢，那么之前被认为荒芜的行星可能会在壳层深处孕育生命。例如，遥远天体上的构造活动或冰火山喷发可以为碳捕捉和生物量生产提供必要的电子，镜像了在地球深海沉积物和地震带中观察到的过程。

沉积物压实如何为微生物产生能量？

沉积物压实通过上覆层的巨大压力和摩擦产生机械能，这会触发矿物颗粒中的压电电压，微生物将其用于 ATP 合成。随着淤泥和沙层在深部地下环境中的堆积，对富含石英的沉积物的物理“挤压”产生了一个持久的电场。生活在这些黑暗、高压区域的微生物已经进化到可以利用这些电压梯度，使它们能在能量受限的状态下生存数千年。

• 电子通量：压实提供了缓慢但稳定的电子释放，产生了“深层电池”效应。
• 碳封存：微生物利用这种能量将溶解的二氧化碳转化为有机生物量，为全球碳循环做出贡献。
• 污染物降解：在某些环境中，这种机械能到电能的转化有助于驱动复杂污染物的分解。
• 代谢韧性：这一途径允许在有机物不可用的“饥饿”条件下生存。

除了对生物地球化学循环的理论意义外，这一发现对绿色技术也具有实际应用价值。作者建议，机械生物地球化学可以启发可持续生物制造和废水处理的新方法。通过利用流水或结构运动的自然振动来刺激压电材料，工业系统可以在不需要高能耗曝气或外部电源输入的情况下，支持清除污染物的微生物群落。

展望未来，研究人员面临的主要挑战仍然是这些能量流的原位定量分析。测量地壳内的电子通量需要高灵敏度的设备和新方法，以区分机械能和传统的化学能。尽管如此，物理学、地质学和微生物学的融合标志着我们对生命韧性理解的范式转移。机械能一直存在于地球的动态系统中，它作为阳光沉默伙伴的角色终于引起了人们的关注。