Hård som en sten? Måske ikke, sige bakterier, der hjælper med at danne jord

Forskning offentliggjort i denne uge af videnskabsmænd fra University of Wisconsin-Madison viser, hvordan bakterier kan nedbryde fast grundfjeld, sætte gang i en lang ændringsproces, der skaber den mineralske del af jorden.

Jord, som aforismen beskriver som "det tynde lag på planeten, der står mellem os og sult, "er en kompleks blanding af mineraler og organiske stoffer.

Problemet er dette, siger seniorforfatter Eric Roden, en professor i geovidenskab ved UW-Madison:"Det generelle billede af jord viser fast grundfjeld et par meter under overfladen, derefter et brud, smuldrende lag populært kaldet 'undergrund'. Øverst er de rige, biologisk aktivt lag kaldet jord. Kemisk analyse forbinder mineralerne i jorden til grundfjeldet, men hvordan foregår denne ekstreme transformation?"

Ilt og forbindelser fra planterødder kan nedbryde sten nær overfladen, men grundfjeldet begynder at nedbrydes dybt under rødderne. Indtil nu, ingen har vist biologiens nøglerolle i at fremskynde nedbrydningen af ​​fast bjergart til mindre mineralstykker.

Disse stykker, indeholdende grundlæggende plantenæringsstoffer som fosfor og kalium, er afgørende for jordens evne til at understøtte planter - og livet i den terrestriske biosfære.

I den Proceedings of the National Academy of Sciences denne uge, Roden og kolleger fandt ud af, at mikrober forårsager oxidation og "forvitring" i en almindelig type grundfjeld.

"Vi ved, at kemiske og fysiske processer begynder at knække grundfjeldet, siger Roden, "men de processer er ikke nok til at lave de mineraler, der bliver til jord. Når først grundfjeldet revner tilstrækkeligt, mikrober kommer ind i sprækkerne og tager over. Resultatet, i henhold til vores arbejde, er en hurtig biologisk acceleration af forvitring."

Forskere har i årtier spekuleret på, om og hvordan mikroorganismer kunne deltage i den indledende nedbrydning, men først nu har de forklaret det væsentlige trick, som bakterier bruger til at "æde" den øvre overflade af grundfjeldet, siger Roden.

Processen drejer sig om oxidation, kendt som årsagen til rust i jern. Oxidation flytter elektroner, som leverer energi til bakterierne, siger Roden. "Det, vi har udviklet, er et billede af, hvordan bakterier langsomt 'gumler' sten for at udvinde energi uden at tage mineralerne ind i deres celler."

Generelt, mikrober indtager deres "mad" i deres celler, før de "spiser" det, men de kan ikke indtage intakt sten. Så den mangfoldige gruppe af bakterier, som Rodens gruppe identificerede i laboratoriet, bruger proteiner på deres ydre overflade til at flytte elektronerne.

For hendes ph.d. forskning, førsteforfatter Stephanie Napieralski borede omkring otte meter til grundfjeldet i Luquillo Critical Zone Observatory i Puerto Rico. Vender tilbage til Madison, hun malede prøver af en sten kaldet diorit, som indeholder jernholdigt jern. Slibning var beregnet til at fremskynde de langsomme biokemiske reaktioner, hun håbede at se, og fremskynde tempoet fra geologisk til akademisk. Derefter inokulerede hun prøverne med materiale fra borehullet, som bar en naturlig gryderet af bakterier. Hun brugte en steril væske til sine sammenligningsprøver.

Efter omkring to et halvt år i mørke, ved stuetemperatur, elektronmikrofotografier viste en radikal ændring i overfladetekstur - men kun hvis der var bakterier til stede. "Oxidationshastigheden, forvitring, var langsom, men uden bakterier, det var nul, " siger Napieralski. "Selvom der er noget kemisk forvitring i den kritiske zone, det var så langsomt, at vi ikke så det under forsøget."

"Efter min mening, denne type stofskifte har stort set været i gang for evigt, men ukendt for os, " siger Roden. "Denne opdagelse åbner op for en helt anden måde at tænke på den oxidative forvitring af jernholdig silikatsten. Vi har danset omkring dette i årevis. Sten var i opløsning, og mikrober var involveret. Jeg blev ved med at sige, 'Hvad med den mikrobielle oxidation af sten?' og mine kolleger sagde, 'Vis mig.'"

At lokalisere elektronoverførende proteiner på cellemembranen giver mening, siger Napieralski. "Denne biologiske opfindelse - dette protein - giver celler mulighed for at komme i elektrisk kontakt med mineraler. Det giver dem mulighed for at svækkes og spise sten. Hvis de bragte jernet ind i cellerne og fik det til at oxidere, de ville være fulde af rust."

Fordi eksperimentet var baseret på pulveriseret sten, der står ikke, hvor hurtigt nedbrydningen sker i naturen. Imidlertid, Napieralski målte produktionen af ​​ATP, et energibearbejdende molekyle, beviser, at mikroorganismerne var i live og virkede under den 30-måneders inkubation.

De jernoxiderende bakterier, der blev afsløret i undersøgelsen, optager en række bakterielle phyla, "det betyder, at de er lige så forskellige som zebraer og frøer, siger Roden.

Selvom undersøgelsen fokuserede på mørke, stabile temperaturer fundet i toppen af ​​grundfjeldet, jernoxiderende bakterier kan også spille en rolle i forvitring højere oppe i jorden, siger Napieralski. "Ekstern elektronoverførsel er en måde at håndtere vanskeligheden ved at spise jern på. En stor ting i papiret er at demonstrere, at organismerne voksede og koblede oxidationen af ​​jern til dannelsen af ​​ATP, 'energimolekylet' i alle kendte livstyper."

En fuld forståelse af livet kræver en opgørelse af energi, siger Roden. "Det, vi har fundet, er, at cellerne kommer i direkte kontakt med et ellers uopløseligt mineral, og de trækker elektroner fra mineralet. De får energi fra at spise sten og undervejs levere næringsstoffer til planter - for livet på Jorden."