I en voldsom ørken viser mikrobe 'skorper', hvordan livet tæmmede landet | Quanta Magasinet

I 2017 tog et hold videnskabsmænd fra Tyskland til Chile for at undersøge, hvordan levende organismer former jordens overflade. En lokal ranger guidede dem gennem Pan de Azúcar, en omkring 150 kvadratkilometer stor nationalpark på den sydlige kyst af Atacama-ørkenen, som ofte beskrives som det tørreste sted på Jorden. De befandt sig i en flad, gruset ødemark afbrudt af lejlighedsvise bakker, hvor behårede kaktusser nåede deres arme mod en himmel, der aldrig regnede. Jorden under deres fødder dannede et skakternet, med uregelmæssige pletter af mørke småsten, der sad mellem lysere, blegede som ben.

Til at begynde med interesserede de sorte pletter, der plettede ørkenens overflade, ikke gruppelederen Burkhard Büdel, en veteranbiolog, der havde brugt de sidste adskillige årtier på at skrabe ørkener på alle syv kontinenter efter tegn på liv. Misfarvninger som disse, kendt som ørkenlak, er allestedsnærværende og betegner rutinemæssigt aflejringer af mangan eller andre mineraler. Bliv ved med at bevæge dig, instruerede han sine holdkammerater.

Men hans kandidatstuderende Patrick Jung kunne ikke få skakternet ud af hovedet. Efter at have set, hvad der lignede laver på nogle af de mørke småsten, havde Jung mistanke om, at noget mere kunne bebo dem. Til sidst samlede han en sten op, dryppede lidt vand på den fra en flaske og kiggede på den gennem sin håndholdte forstørrelseslinse. Forsiden af ​​den sorte sten brød ud med grønt. Murbrokkerne var blevet levende.

Jung piskede en fotosyntesemonitor ud af sin taske. Et tryk på dens fluorescerende blå sensor bekræftede, at noget i klipperne omdannede kuldioxid til oxygen. Efter at Jungs kolleger, inklusive Büdel, gentog eksperimentet, dansede de alle af spænding under ørkensolen. Så lagde de sig på maven med øjnene rettet mod det mikrobielle tæppe, der lever i støvet. Rundt omkring dem gentog de mørke pletter sig over landskabet, hver fyldt med sit eget mikroskopiske univers.

Siden 2019 har Jung ledet et projekt på University of Applied Sciences i Kaiserslautern, Tyskland, dedikeret til undersøgelsen af usædvanligt samfund af mikrober, nu kendt som grusskorpe. Hans team har arbejdet på at forstå de ekstreme tilpasninger, der har gjort det muligt for disse mikroorganismer at bebo et land så berygtet fjendtligt, hvor de kun lejlighedsvis bliver forfrisket af tågeslurk. Det svar, de har afdækket give ledetråde om, hvordan livet først kunne have fundet greb om vores planets overflade for milliarder af år siden.

For to måneder siden guidede parkvagten, som først bragte de tyske videnskabsmænd til Pan de Azúcar, mig til stedet for deres opdagelse. José Luis Gutiérrez Alvarado, knælende i et af skakternets sorte rum, samlede en sten op på størrelse med en øreringe. Fra lommen hentede han en forstørrelsesglasseddel, et personligt minde med ordene "Los secretos de las rocas". Han holdt luppen over stenen i sin håndflade, så jeg også kunne lære dens hemmeligheder.

Opdagelsen af ​​grusskorpen forvandlede ørkenen for Gutiérrez Alvarado, som har patruljeret den hver dag i det sidste årti. "Det er ikke kun sten, ikke kun tomt rum," sagde han og kiggede ud over pletterne af småsten. "Alt ånder nu."

Planetens levende hud

At køre gennem Pan de Azúcar med Gutiérrez Alvarado er som at køre i en geologisk tidsmaskine. Gamle vulkanske huler fra en epoke falmer til bølgende bakker af eroderet sand fra en anden, og ud over dem ligger lejlighedsvis et græsklædt stenbrud eller kaktuslund.

Mellem bakkerne ser en udskæring af modergrundfjeldet, en bunke kvarts krydret med forskellige mineraler. For dens fødder ligger dens afkom, mindre bidder, der er brækket af over millioner af år. Under dem sidder en parade af gradvist mindre sten, helt ned til de øreringestørrelser, der først fangede Jung. Småstenene, som strøer ørkenbunden, er lokalt kendt som "maicillo" og på engelsk som "grit". Substratet er rigeligt porøst og byder på masser af revner og hjørner, som mikrober kan nusse ind i. Kilet ind i sprækkerne af hver klippeklasse er bittesmå krat af grønt og sort liv.

Under ekspeditionen i 2017 indsamlede og tørrede Jung prøver af dette grus og sendte dem tilbage til Tyskland. Så kastede han sig ud i at lære mere om mikroberne med en sådan beslutsomhed, at han afsluttede sin doktorgrad på kun to et halvt år, med over 10 publikationer at vise til. Fra DNA-prøver udledte han, at grusskorpen er sammensat af flere hundrede arter af cyanobakterier, grønne alger og svampe - inklusive flere hidtil ukendte lavkombinationer. I mellemtiden snittede hans kolleger stenene i tynde skiver til billeddannelse. Billederne viste, hvordan individuelle svampehyfer havde boret dybt ind i klipperne og udhugget netværk af forgrenede kanaler.

Ved første øjekast kunne grusskorpen virke som et rutineeksempel på, hvad forskere kalder en biologisk jordskorpe eller "bioskorpe" - et fællesskab af sameksisterende bakterier, svampe, alger og andre mikroorganismer, der dækker jorden i sammenhængende ark. Omkring 12% af jordens jord er dækket af bioskorper. Økologer omtaler ofte disse kolonier som planetens "levende hud".

I løbet af det sidste århundrede har forskere identificeret bioskorper over hele kloden og arbejdet på at forstå deres rolle i udformningen af ​​økosystemer. De har erfaret, at skorperne forankrer jordkorn på plads og forsyner de organismer, der vokser i den jord, med essentielle næringsstoffer såsom kulstof, nitrogen og fosfor. I 2012, Büdel og hans kolleger anslået at bioskorper opsuger og genanvender omkring 7 % af alt kulstof og næsten halvdelen af ​​alt det kvælstof, der er kemisk "fikseret" af terrestrisk vegetation. Bioskorpens rolle i at fremskaffe fordøjeligt kvælstof er særligt kritisk i tørre ørkener: Andre steder kan lyn ofte omdanne atmosfærisk kvælstof til nitrater, men i ørkenerne er elektriske storme sjældne.

Bioskorpen skaber "små oaser af frugtbarhed," sagde Jayne Belnap, en økolog ved US Geological Survey, som hjalp med at standardisere udtrykket "bioskorpe" i 2001. "Det område bliver [som] ispinde for jordorganismerne. De er sukkerafhængige ligesom alle os andre.”

Men det mikrobielle samfund i Pan de Azúcar er ikke bare en hvilken som helst gammel bioskorpe. Mens traditionelle bioskorper draperer sig over det øverste lag af fine jordpartikler, og andre slags organismer spirer direkte oven på individuelle kampesten, "er gruset imellem - det er en overgangszone," sagde Liesbeth van den Brink, en økologiforsker ved universitetet i Tübingen, som nu bor lige uden for Pan de Azúcar sammen med Gutiérrez Alvarado. I grusskorpe giver stenene strukturen, men mikroberne koloniserer dem i et sammenhængende ark - som et tyndt lag harpiks, der fuger sammen en stenhave.

Fordi organismerne er så tæt forbundet med det stenede substrat, legemliggør grusskorperne "sammenstødet mellem det abiotiske og det biotiske," sagde Rómulo Oses, en biolog ved University of Atacama. "På denne grænseflade vil du se en masse svar."

Pan de Azúcars grynskorper har tvunget videnskabsmænd til udvide deres opfattelse af, hvad bioskorper er, hvor mikrober kan overleve, og hvordan mikrobielle samfund former miljøet omkring dem. De åbner døren for genovervejelser af, hvordan Jorden og livet udviklede sig sammen over epoker.

Nipper til tågen

Pan de Azúcar er øde, men det er langt fra livløst. Parken grænser op til Stillehavet nær havoverfladen og er meget mere tempereret end Atacamas forhøjede hypertørre kerne. Alligevel får det højst 12 millimeter regn om året, og solstrålingsniveauet er ofte blæret højt.

På vej til parkens eneste food truck, hvor Gutiérrez Alvarado, van den Brink og jeg kan stoppe for en lokal seafood empanada, tager vi en omvej. Gutiérrez Alvarado stopper for at tjekke et af sine vejrovervågningsapparater, som er omsluttet af pigtråd og fastgjort med sten i ørkenen. Ved siden af ​​peger han på en nogenlunde ko-størrelse fordybning i jorden, hvor en guanaco, en vild slægtning til lamaen, for nylig tog et støvbad. Gutiérrez Alvarado og de andre rangers talte for nylig 83 guanacoer, der boede i parken.

"Hvordan overlever de her?" van den Brink undrede sig. "Hvordan overlever noget her?"

Svaret er den karakteristiske tykke tåge, der ruller op ad den chilenske kystlinje, et vejrfænomen lokalt kendt som camanchacaen. Med så lidt nedbør afhænger alt liv i Pan de Azúcar i sidste ende af, hvilken fugt tågen end bærer. Guanacoen, for eksempel, er afhængig af slurke vand, der er fanget af mosser, der klamrer sig til kaktusser, som vokser i jord befrugtet af grusskorpe.

Menneskene i parken er ikke anderledes. På en højderyg med udsigt over kysten sidder fire mesh-paneler på størrelse med garageporte, som Gutiérrez Alvarado og de andre rangers satte op som tågesamlere. Der kondenserer nok vand på dem hver dag til at forsyne en vask på et af parkens få toiletter. Tågen er så tyk, at den engang næsten fik Gutiérrez Alvarado til at køre lige fra en klippeflade ud i havet; kun et lillebitte skilt på jorden mindede ham om at dreje til venstre i sidste øjeblik.

Det meste af det vand er dog uden for rækkevidde for grusskorpeorganismerne. Det meste af dagen bliver stenene så varme, at der dannes et grænselag af stegende varm luft over dem, som forhindrer mikroberne i at opsuge fugten. Mikroorganismerne har lært at vente på dagens varme i en dehydreret, sovende tilstand. Men om natten er der intet sollys for dem at bruge til fotosyntese. Så mikroberne har højst et par timer efter solopgang til at drikke det vand, der er kondenseret som tåge eller dug.

Jung og kolleger testede, hvor lidt vand mikroberne skal bruge for at begynde at fotosyntese. Den ideelle servering var 0.25 millimeter vand - lavere end kravet til nogen anden kendt bioskorpe. Når først de er dæmpet, begynder mikroberne at fotosyntese hurtigere end noget samfund, forskerne nogensinde har set.

"Der er en måde for disse organismer at leve længe og trives på trods af, at de er i et hyper-tørt område," sagde Belnap. Den opfindsomhed udvider enormt det terræn, som bioskorper kan besætte, ud over hvad forskerne havde troet. Selvom grusskorpe hidtil kun er blevet fundet i Pan de Azúcar, formoder forskere, at den også kan vokse i andre områder af Atacama og muligvis i ørkenerne i det sydlige Afrika.

"Grynskorpen sætter en ny tærskel for forhold, der gør livet muligt," sagde Jung.

Men ligesom ørkenen har betinget disse mikrober, former mikroberne bogstaveligt talt ørkenen. På grund af alle de organismer, der koloniserer de små klipper, stiger volumen af ​​hver grussten med omkring 25 %, når grusskorperne bliver våde og cellerne rehydrerer sig selv. Når ørkentågen ruller ind og ud, svulmer og skrumper grusstenene. Disse regelmæssige sammentrækninger, sammen med de syrer, der udskilles af mikroberne under fotosyntesen, har en "biologisk forvitringseffekt" - nedbryder sten til småsten og fra småsten til grus.

Mens alle bioskorper udfører en vis grad af forvitring, er de større korn af grusskorpen særligt velegnede til det. Processen afslører mikrobernes fulde potentiale til at påvirke deres miljø. En mikrobiel hud kan lime småsten sammen, nedbryde dem til jord og gøde denne jord med essentielle næringsstoffer. Faktisk kan skorpen "terraforme" ørkenen.

Mikrobernes magt var til fulde fremvist efter en katastrofe i 2015. To år før Jung satte sine ben i Pan de Azúcar, hærgede en sjælden oversvømmelse området. På kun to dage fik regionen mange års regn. De resulterende oversvømmelser forårsagede mindst 31 dødsfald i nabobyerne.

Ørkenen sprængte dog af liv. I løbet af de følgende måneder gav snavset anledning til en mirakuløs fremvisning af vilde blomster - en "desierto florido". Hvordan planterne vågnede fra en årtier lang hvile med en sådan gejst, har forvirret jordbiologer. Men igen, nøglen kan være i skorpen.

Fernando D. Alfaro, en mikrobiel økolog ved Major University i Chile, tester denne hypotese ved at udløse sine egne små oversvømmelser i ørkenen. Han hælder litervis af flaskevand på kvadratmeter store grunde med ørkenjord. De parceller, der er dækket af bioskorpe, holder på vandet i meget længere tid, og nogle har formået at spire planter på få uger.

"I mange år forbereder [bioskorper] systemet og substratet til at reagere meget hurtigt på denne tilførsel af regn," sagde Alfaro. "Disse blomsterbegivenheder afhænger af disse små samfund af mikrober."

Jung har også været vidne til mikrobernes modstandsdygtighed. På 11 steder omkring Pan de Azúcar udvalgte han nærliggende sorte og hvide pletter og målte deres biologiske aktivitet. Derefter samlede han det øverste lag af gryn, steriliserede det i en trykkoger og lagde det tilbage på jorden. Inden for et år blev de engang sorte områder mørke igen, da mikroorganismerne begyndte at rekolonisere de sterile plots - langt hurtigere, end det normalt sker med laverne og andre mikrober i bioskorper. Fjernmålingsdata taget i løbet af det sidste årti har vist, at 89 % af parkens overflade er dækket af skakternet mønster. Inden for det koloniserede område ændrede omkring en fjerdedel af det sort-hvide design sig i løbet af de sidste otte år - en overraskende hurtig reaktionstid for de normalt træge mikrober.

Små erobrere af landet

Kornskorpen spiller en vigtig rolle i det lokale økosystem, men dens videnskabelige tiltrækning stopper ikke der. Gamle, stabile og ujordiske, dette miljø tiltrækker også astrobiologers opmærksomhed.

I årtier har videnskabsmænd brugt dele af Atacama-ørkenen som terrestriske analoger for Mars. Den ekstreme stråling, sjældne nedbør, golde landskab og vilde temperaturudsving gør ørkenen udpræget overjordisk. (Gutiérrez Alvarado fastholder dog, at det mest fremmede ved Pan de Azúcar er hans andre parkbetjente - "defintivt er de marsboere," sagde han og smilede.)

Forskere bruger Atacama-bioskorper til at konstruere et bibliotek af kemiske signaturer, der kan guide søgningen efter mikrobielt liv på Mars. Men bioskorpeorganismerne åbner også et vindue til livet på en lidt mindre fremmed planet: den tidlige Jord.

Fossile beviser tyder på, at mikrober levede i nærheden af ​​dybhavs hydrotermiske åbninger for omkring 3.5 milliarder år siden. Hvornår og hvordan livet erobrede landet, er dog mindre klart. Terrænet på kontinenterne var hårdere, skarpere og langt mere forbudt, end det er i dag.

"Du ville ikke have haft pænt udviklet jord, som du har nu," sagde Ariel Anbar, en geokemiker ved Arizona State University. "Planter, der er afhængige af, at der har været mange generationer af planter før for at skabe et miljø, der er gæstfrit - de ville have haft en hård tid."

Før planter ankom, mener nogle forskere, kunne skorper af mikrober have hjulpet med at forberede jorden ved at omdanne nøgne sten til gødet jord. En bioskorpe godt tilpasset ekstreme forhold kunne tage fat i et passende substrat, der rummede næringsstoffer og regelmæssigt blev fugtet med tåge. Ved gradvist at forvitre klipperne og stabilisere sedimentet som jord, kunne det ændre miljøet på en måde, der fremmede udviklingen af ​​højere organismer.

"Denne bioskorpe af Pan de Azúcar repræsenterer dette scenarie," sagde Alfaro. "Det er som et ursamfund at øge udviklingen af ​​jordbund og lave mere komplekse samfund."

Kornskorpemikroberne i Atacama i dag er ikke en perfekt kopi af dem, der kan have forberedt den tidlige Jord. Et sådant ældgammelt samfund ville sandsynligvis være blevet indstillet til et iltfattigt miljø og blottet for lav, som menes at have udviklet sig kun i de sidste 250 millioner år. Men forskerne er enige om, at moderne grusskorpesamfund stadig kan tjene som værdifulde analoger til det, der kom æoner før.

Ideen om, at mikrober kunne have orienteret den tidlige jords beboelighed, er ikke ny. I 1980'erne foreslog miljøforskerne David Schwartzman ved Howard University og Tyler Volk ved New York University, at den biologiske forvitring forårsaget af tidligt landliv kunne have sekvestreret nok kuldioxid fra atmosfæren til at afkøle Jordens overflade til et område, der er beboeligt for andre skabninger. "Vi har beviser for virkelig intens forvitring i det arkæiske område," sagde Schwartzman. "Formodentlig spillede bioskorper en rolle i det."

Men vi behøver ikke stole på antagelser. I løbet af de sidste par årtier er indirekte beviser dukket op for mikrobielle samfund på land under det arkæiske område. Gregory Retallack, en emeritusprofessor ved University of Oregon, mener, at han har fundet beviser for samfund, der ligner bioskorper i forstenede jorde (eller "paleosoler") så langt tilbage som for 3.7 milliarder år siden - hvilket udfordrer den almindelige antagelse om, at livet opstod i havet. "Beviset fra palæosoler er ret klart, at der var alle mulige ting på landjorden, endda meget tidligt," sagde han. "Du kan se disse mikrobielle skorpestoffer bare med det blotte øje."

Et hold ledet af Christophe Thomazo, en geobiolog ved University of Burgundy, har fundet beviser på, at nogle moderne bioskorper kunne have overlevet i atmosfæren på den tidlige Jord under det arkæiske område: Deres mikrober kunne effektivt have fikseret gasformigt nitrogen til ammonium og nitrat og levere tilgængelige næringsstoffer til de nye globale økosystem. Forskerne bemærkede også, at noget af det isotopiske kulstof- og nitrogenindhold i nogle ørkenbioskorper er ligesom klipperne fra det arkæiske hav.

"Der er signaturer [i disse bioskorper], der er kompatible med arkæisk organisk materiale," sagde Thomazo. Han er "temmelig overbevist om", at planetens første jordbaserede beboere var noget, der ligner moderne bioskorper.

Modstandsdygtig, men skrøbelig

Under køreturen ud af parken stopper Gutiérrez Alvarado bilen, stiger ud og vender om. Hans bils dækspor er skåret skarpt gennem den tætte dækning af grusskorpe og efterlader en række mikrobielle lig i deres kølvand. Skorpen er modstandsdygtig, men den er langt fra uforgængelig, og selv menneskelige fodspor kan udslette små bidder af den. Det er derfor, National Park Service har opslået "Don't bust the crust"-skilte over det vestlige USA, der opfordrer vandrere til at blive på stierne for at beskytte den ånde jord.

Gutiérrez Alvarado værdsætter den store kornskorpe. Som en ranger er hans mission at holde parkens landskab og alt, hvad der bebor den, sikkert fra uagtsomme besøgende og invasive minedrift, sagde han. I et studie udgivet i april som han var medforfatter af Jung og van den Brink, opfordrede han den chilenske nationalparks ledelse til at overveje bioskorper i deres naturbevaringsplaner.

"Vi er nødt til at begrunde, hvorfor vi lukker veje eller lukker nogle stier, så ingen kan gå der," sagde Gutiérrez Alvarado. "Vi har ingen love, så forskningen er vores backup."

Men bioskorper står over for en menneskeskabt trussel, der er meget værre end fodspor: klimaændringer.

I 2018 offentliggjorde Belnap, Büdel og deres kolleger en undersøgelse, der estimerede, hvordan forskellige bioskorper rundt om i verden ville tilpasse sig klimaændringer og intensivering af arealanvendelsen. Deres modeller forudsagde, at i slutningen af ​​århundredet kunne den globale dækning af bioskorper falde med 25 % eller mere. Disse reduktioner kan give mindre sund jord og få løst støv til at sætte sig på snepakker, fange mere varme og forværre planetens klimasygdomme. "Så vil vi virkelig begynde at se analogerne med Mars," sagde van den Brink.

Atacama-bioskorpen skiller sig dog ud i denne model. Under avancerede klimascenarier, når de fleste andre skorper dør, ser gruset ud til at blomstre.

Mens solen går tilbage, klatrer Gutiérrez Alvarado, van den Brink og jeg op ad en sandhøj for et sidste glimt af de bølgende bakker, der bliver slugt af tåge. Fra toppen kan jeg også beundre den sande udstrækning af grit-imperiet og dets legioner, der stille hævder territorium ud til horisonten. Jeg kan ikke lade være med at tænke på, hvordan klipperne hele tiden kan have holdt en hemmelighed mere: at hvis mikrober som disse var de første, der ankom, vil de måske også være de sidste, der går.