Kontinentale mikrober hjalp med at frø gamle have med nitrogen

Ligesom vores oceaner, nutidens kontinenter er fyldt med liv. Alligevel for milliarder af år siden, før planternes fremkomst, kontinenter ville have fremstået golde. Disse tilsyneladende ledige jordformer blev antaget at spille ingen rolle i det tidlige biokemiske urværk kendt som nitrogenkredsløbet, som de fleste levende ting er afhængige af for at overleve.

Nu, ASU-forsker Ferran Garcia-Pichel, sammen med Christophe Thomazo, fra Laboratoire Biogéosciences i Dijon, Frankrig, og Estelle Couradeau, en tidligere Marie Curie Postdoc i begge laboratorier, viser, at biologiske jordskorper - kolonier af mikroorganismer, der i dag koloniserer tørre, ørkenmiljøer - kan have spillet en væsentlig rolle i Jordens nitrogenkredsløb, hjælper med at befrugte tidlige oceaner og skabe en næringsstofforbindelse mellem atmosfæren, kontinenter og oceaner.

Garcia-Pichel leder Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics og er professor ved ASU's School of Life Sciences. Oprindeligt, en marin mikrobiolog, han blev fascineret af den skjulte verden af ​​mikroorganismer, der lå oven på jord i ørkener og andre tørre områder blottet for planteliv. Disse levende bioskorper har bemærkelsesværdige egenskaber, trives under ekstreme forhold, hjælper med at forankre jord på plads, så de modstår erosion, og befrugtning af markområder og ørkener.

Den nye forskning, som vises i den avancerede onlineudgave af tidsskriftet Naturkommunikation , antyder, at analoger af disse bioskorper spredte sig over ellers øde kontinenter på den tidlige Jord, og bidrog til at etablere det nitrogenkredsløb, der er afgørende for livet, som vi kender det i dag.

Atmosfære i udvikling

"Denne virkelig tidlige Jord var en meget anderledes planet i mange henseender, især i atmosfærens sammensætning, " siger Garcia-Pichel. "Før fremkomsten af ​​iltrige fotosyntetiske mikrober, ligesom cyanobakterier, der lavede ilt - ligesom planter gør i dag - var atmosfæren ikke iltet." Denne enorme iltfri epoke varede i halvdelen af ​​Jordens 4,6 milliarder års historie.

Alt dette ændrede sig med noget, der af geokemikere omtales som den store iltningsbegivenhed. "Det var måske den vigtigste ændring i naturen af, hvad planeten er. Der er afslørende tegn på dette i rockpladen, så folk har en god idé om, hvornår dette skete - for omkring 2,45 milliarder år siden, men konventionel visdom ville få dette til at ske i lavvandede oceaner," siger Garcia-Pichel.

I dag, nitrogen udgør 78 procent af atmosfæren. Det er et vigtigt element i DNA, RNA og proteiner, livets nøglekomponenter. Men det nitrogen, der findes i atmosfæren, er ikke egnet til brug af de fleste organismer. Det skal først behandles, gennem det såkaldte nitrogenkredsløb. Dette sker, når prokaryote organismer udfører nitrogenfiksering, at gøre atmosfærisk nitrogen tilgængelig i en form, der er nyttig for planter og dyr til overlevelse.

Mens det længe har været antaget, at nitrogenkredsløbet, der opstod tidligt i Jordens historie, stammer fra oceaniske mikrober under en gammel fase kendt som det arkæiske, ny forskning tyder på, at betydelige mængder nitrogen kom fra landbaserede biologiske jordskorper.

Skiftende perspektiv

"I mange evolutionære biologers hoveder, kontinenterne var irrelevante tidligt i jordens historie, fordi de antages at have været ufrugtbare af liv, indtil de første planter dukkede op, omkring 0,4 milliarder år siden. Så alle modellerne for, hvordan elementer blev kredset, var baseret på interaktioner mellem havet og atmosfæren, " siger Garcia-Pichel.

For nylig dog beviser begyndte at dukke op, der tydede på, at kontinenterne var langt fra de sterile landmasser, de var blevet portrætteret som. I stedet, indviklede mikrobielle samfund, der ligner bioskorper, der findes i nutidens ørkenmiljøer, koloniserede de tidlige kontinenter. Spor af deres tilstedeværelse stammer fra 3,2 milliarder år siden, i god tid før den store iltningsbegivenhed var med til at sætte scenen for den kambriske eksplosion – et pludseligt udbrud af liv, der gav anledning til de fleste af verdens dyrefyler.

Forskerne bemærker, at i dag, sådanne bioskorper optager omkring 12 procent af jordens jord. De er sammensat af filamentøse cyanobakterier, som udfører det meste af bioskorpens kulstof- og nitrogenfiksering og giver næringsstoffer til resten af ​​skorpens mikrobiome, mens den binder jordkorn sammen og giver mikrobielle samfund erosionsbestandighed.

"Disse samfund lever af lys, " siger Garcia-Pichel. "Da planter udviklede sig og begyndte at samle sig, dette markerede deres død. Der er intet lys på jorden længere på grund af planteaffald." i en tidlig verden, før planternes udvikling, der ville ikke være noget til hinder for deres kolonisering af kontinenterne, hvor betingelserne for deres vækst og udvikling ville have været betydeligt mindre barske.

Som Garcia-Pichel bemærker, vandrige miljøer som oceaner og søer giver overlegne betingelser for fossilisering, gør påvisningen af ​​ældgamle bioskorpekolonier på land mere udfordrende. Dette kan til dels forklare forsømmelsen af ​​kontinentale bioskorper som de oprindelige landbaserede økosystemer i store dele af planetens historie.

Et nyt billede tegner sig

Holdet udførte en meta-analyse af deres tidligere data kombineret med anden relevant litteratur om kredsløbet af nitrogen i moderne bioskorper. Resultater viser, at nitrogen-cirkulerende bioskorper er i stand til at importere nitrogengas fra atmosfæren og eksportere ammonium og nitrat.

Kvantitativ analyse tyder på, at bioskorpens bidrag til nitrogenkredsløbet i Jordens tidlige historie ville have været betydeligt, selv med begrænset kolonisering af de præ-kambriske kontinenter.

Forestillingen om landbaserede livsformer – bioskorpene – der yder et væsentligt bidrag til Jordens tidlige biogeokemi repræsenterer et betydeligt paradigmeskifte. Ny forskning skulle hjælpe med at fastslå, hvor langt tilbage i Jordens rekord disse mikrobielle bioskorper strækker sig og hjælpe med at udforske deres bidrag til andre grundstoffers kredsløb, som fosfor.

Ørkenforsvarere

Garcia-Pichels center er også involveret i bestræbelser på at genoprette bioskorpesamfund i ørkenmiljøer, hvor urbanisering og andre faktorer har forringet dem alvorligt. Mens disse samfund viser forbløffende modstandsdygtighed over for de barske forhold i både ørken- og polarområder, de er meget følsomme over for menneskelig indblanding, herunder tramp, køretøjstrafik og landbrug.

Garcia-Pichel vurderer, at i områderne omkring Phoenix, hvor han arbejder, kun 5 procent af de oprindelige bioskorper er tilbage. Yderligere, klimaændringer vil ikke kun ændre bioskorpens demografi, som varierer i deres sammensætning efter region, men vil gøre nogle ørkenmiljøer for alvorligt tørre til deres overlevelse. Restaurering af disse samfund er i øjeblikket en udfordrende opgave, dels videnskab og dels kunst. Den rigtige blanding af mikrobielle spillere skal være til stede, for at nyfrøede samfund kan overleve og blomstre.

"Når du ødelægger skorpen, du gør jorden ustabil og meget udsat for erosion, " siger Garcia-Pichel. "Områder, der er skovet for skorper, er kilder til flygtigt støv og sand. Den naturlige beskyttelse af ørkenen er der ikke, og selv moderat vind kan rejse en haboob. Vi er blevet finansieret i de sidste 5 år til at udvikle måder at dyrke disse skorper på og genså dem i marken. Det er en anvendt del af vores arbejde, hvilket er noget nyt for vores laboratorium."