Ägedas kõrbes näitavad mikroobide koorikud, kuidas elu maad taltsutas | Ajakiri Quanta

2017. aastal reisis Saksamaa teadlaste meeskond Tšiilisse, et uurida, kuidas elusorganismid kujundavad Maa näo. Kohalik metsavaht juhatas nad läbi Atacama kõrbe lõunarannikul asuva umbes 150-ruutmiilise rahvuspargi Pan de Azúcari, mida sageli kirjeldatakse kui Maa kõige kuivemat kohta. Nad leidsid end tasasel kruusasel tühermaal, mida aeg-ajalt mäed katkestasid ja kus karvased kaktused sirutasid oma käed taeva poole, mis kunagi ei sadanud. Maapind nende jalge all moodustas malelaua, mille heledamate kivide vahel paiknesid ebakorrapärased tumedad kivikesed, mis olid pleekinud nagu luu.

Esialgu ei huvitanud kõrbepinnal laigulised mustad laigud rühmajuhti Burkhard Büdel, veteranbioloog, kes oli viimased aastakümned veetnud elumärkide otsimiseks kõrbeid kõigil seitsmel kontinendil. Sellised värvimuutused, mida nimetatakse kõrbelakiks, on üldlevinud ja viitavad tavaliselt mangaani või muude mineraalide ladestumisele. Jätkake liikumist, juhendas ta kaaslasi.

Aga tema magistrant Patrick Jung ei saanud malelauda peast välja. Märkanud mõnel tumedal veeris sambliku moodi väljanägemist, kahtlustas Jung, et neid võib asustada veel midagi. Lõpuks võttis ta üles kivi, tilgutas sellele pudelist vett ja vaatas seda läbi oma käeshoitava suurendusläätse. Musta kivi nägu purskas rohelisest. Killustik oli elavnenud.

Jung virutas pakist välja fotosünteesimonitori. Üks fluorestseeruva sinise anduri puudutus kinnitas, et miski kivimites muudab süsinikdioksiidi hapnikuks. Pärast seda, kui Jungi kolleegid, sealhulgas Büdel, katset kordasid, tantsisid nad kõik põnevusega kõrbepäikese all. Siis heitsid nad kõhuli pikali, silmad jäid tolmus elavale mikroobivaibale. Kõikjal nende ümber kordusid üle maastiku tumedad laigud, millest igaüks oli täidetud oma mikroskoopilise universumiga.

Alates 2019. aastast on Jung juhtinud Saksamaal Kaiserslauternis asuvas rakendusteaduste ülikoolis projekti, mis on pühendatud ebatavaline mikroobide kooslus, mida nüüd tuntakse liivakoorikuna. Tema meeskond on töötanud selle nimel, et mõista äärmuslikke kohandusi, mis on võimaldanud neil mikroorganismidel asustada nii kurikuulsalt vaenulikul maal, kus neid värskendavad vaid aeg-ajalt lonksud udu. The vastused, mille nad on avastanud pakuvad vihjeid selle kohta, kuidas elu võis esimest korda meie planeedi pinnal haaret leida miljardeid aastaid tagasi.

Kaks kuud tagasi juhatas pargivaht, kes esimest korda Saksa teadlased Pan de Azúcari tõi, mind nende avastuspaika. Põlvitades ühes kabelaua mustas ruumis, võttis José Luis Gutiérrez Alvarado üles umbes kõrvarõnga naela suuruse kivi. Ta otsis taskust suurendusega juveliiri luubi, isikliku mälestuseseme, millele oli kirjutatud sõnad "Los secretos de las rocas". Ta hoidis luupi peopesal kivi kohal, et ka mina saaksin selle saladusi teada.

Jahvatatud maakoore avastamine muutis kõrbe Gutiérrez Alvarado jaoks, kes on viimase kümnendi jooksul seal iga päev patrullinud. "See ei ole ainult kivid, mitte ainult tühi ruum," ütles ta, vaadates üle kiviklibu. "Praegu hingab kõik."

Planeedi elav nahk

Gutiérrez Alvaradoga Pan de Azúcarist läbi sõitmine on nagu geoloogilises ajamasinas sõitmine. Ühest ajastust pärit iidsed vulkaanilised koopad tuhmuvad teise erodeeritud liivaga mägedeks ja nende taga paikneb aeg-ajalt rohtukasvanud karjäär või kaktusesalu.

Küngaste vahelt piilub emapõhjakivimite paljand, erinevate mineraalidega vürtsitatud kvartsihunnik. Tema jalge ees lebavad tema järglased, väiksemad tükid, mis on miljonite aastate jooksul maha murdunud. Nende all on järjest väiksemate kivide paraad, kuni kõrvarõngasuuruste teradeni, mis Jungi esmalt võlusid. Kõrbepõrandat risustavaid veerisid tuntakse kohalikes kui "maicillo" ja inglise keeles kui "grit". Aluspind on piisavalt poorne, pakkudes palju pragusid ja nurki, kuhu mikroobid sisse tungida. Iga kivimiklassi lõhedesse on kiilutud pisikesed rohelise ja musta elu tihnikud.

2017. aasta ekspeditsiooni ajal kogus Jung kogus ja kuivatas selle tera proove ning saatis need tagasi Saksamaale. Seejärel heitis ta end mikroobide kohta rohkem tundma õppima nii sihikindlalt, et lõpetas doktorikraadi vaid kahe ja poole aastaga ning ilmus üle 10 publikatsiooni. DNA proovide põhjal järeldas ta, et sõmerakoor koosneb mitmest sajast tsüanobakterite, rohevetikate ja seente liigist, sealhulgas mitmest senitundmatust samblike kombinatsioonist. Vahepeal lõikasid tema kolleegid kivid pildistamiseks õhukeseks. Fotodel oli näha, kuidas üksikud seenhüüfid olid puurinud sügavale kividesse, raiudes välja hargnevate kanalite võrgustikke.

Esmapilgul võib liivakoorik tunduda rutiinse näitena sellest, mida teadlased nimetavad bioloogiliseks mullakooreks või "biokooreks" - kooseksisteerivate bakterite, seente, vetikate ja muude mikroorganismide kooslus, mis katab pinnase ühtsete lehtedena. Umbes 12% Maa pindalast on kaetud biokoorikutega. Ökoloogid nimetavad neid kolooniaid sageli planeedi "elavaks nahaks".

Viimase sajandi jooksul on teadlased kogu maailmas tuvastanud biokoore ja töötanud selle nimel, et mõista nende rolli ökosüsteemide kujundamisel. Nad on õppinud, et maakoored ankurdavad mulla terad paika ja varustavad selles pinnases kasvavaid organisme oluliste toitainetega, nagu süsinik, lämmastik ja fosfor. 2012. aastal Büdel ja tema kolleegid Hinnanguliselt et biokoorikud neelavad ja taaskasutavad umbes 7% kogu süsinikust ja peaaegu poole kogu maapealse taimestiku poolt keemiliselt "fikseeritud" lämmastikust. Biokoorikute roll seeditava lämmastiku hankimisel on eriti oluline kuivades kõrbetes: mujal võib välk sageli muuta õhulämmastiku nitraatideks, kuid kõrbetes on elektritormid harvad.

Biokoor loob "väikesed viljakuse oaasid", ütles Jayne Belnap, USA geoloogiateenistuse ökoloog, kes aitas 2001. aastal standardida terminit „biokoore”. Nad on suhkrusõltlased nagu kõik teisedki.

Kuid Pan de Azúcari mikroobikogukond ei ole lihtsalt vana biokoorik. Kui traditsioonilised biokoorikud katavad end peente mullaosakeste pealmise kihi peale ja muud liiki organismid tärkavad otse üksikute rändrahnude peale, siis "taim on vahepealne – see on üleminekutsoon," ütles ta. Liesbeth van den Brink, Tübingeni ülikooli ökoloogiateadlane, kes elab praegu Pan de Azúcari lähedal koos Gutiérrez Alvaradoga. Kruusakoorikus annavad kivid struktuuri, kuid mikroobid koloniseerivad need ühtseks leheks – nagu õhuke vaigukiht, mis ühendab kiviktaimla.

Kuna organismid on kivise substraadiga nii tihedalt seotud, kehastavad liivakoorikud "abiootika kokkupõrget biootilise ainega", ütles. Rómulo Oses, Atacama ülikooli bioloog. "Sellel liidesel näete palju vastuseid."

Pan de Azúcari sõmerakoor on teadlasi selleks sundinud laiendada oma kontseptsiooni mis on biokoorikud, kus mikroobid võivad ellu jääda ja kuidas mikroobikooslused kujundavad neid ümbritsevat keskkonda. Nad avavad ukse uuesti läbimõtlemiseks selle üle, kuidas Maa ja elu epohhide jooksul koos arenesid.

Rüüpab udu

Pan de Azúcar on kõle, kuid see pole kaugeltki elutu. Vaikse ookeaniga merepinna lähedal piirnev park on palju parasvöötmega kui Atacama kõrgenenud hüper-kuiv tuum. Sellegipoolest sajab aastas maksimaalselt 12 millimeetrit vihma ja päikesekiirguse tase on sageli villiliselt kõrge.

Teel pargi ainsa toiduauto juurde, kus Gutiérrez Alvarado, van den Brink ja mina saame peatuda kohaliku mereandide empanada jaoks, teeme kõrvalepõike. Gutiérrez Alvarado peatub, et kontrollida üht oma ilmaseireseadet, mis on okastraadiga ümbritsetud ja kõrbes kividega kinnitatud. Selle kõrval toob ta välja umbes lehmasuuruse lohu maa sees, kus hiljuti tolmuvannis käis laama metsik sugulane guanako. Gutiérrez Alvarado ja teised metsavahid loendasid hiljuti pargis 83 guanakot.

"Kuidas nad siin ellu jäävad?" imestas van den Brink. "Kuidas siin midagi ellu jääb?"

Vastus on iseloomulik paks udu, mis rullub mööda Tšiili rannikut, ilmastikunähtust, mida kohalikult tuntakse camanchaca nime all. Kuna sademeid on nii vähe, sõltub kogu elu Pan de Azúcaris lõppkokkuvõttes udu niiskusest. Näiteks guanako toetub lonksudele veest, mille püüavad kinni kaktuste külge klammerduvad samblad, mis kasvavad kruusakoorikuga väetatud pinnases.

Inimesed pargis pole teistsugused. Rannikuvaatega mäeharjal istuvad neli garaažiukse suurust võrkpaneeli, mille Gutiérrez Alvarado ja teised metsavahid püstitasid udukogujatena. Iga päev kondenseerub neile piisavalt vett, et varustada kraanikaussi ühes pargi vähestest tualettruumidest. Udu on nii paks, et see oleks kunagi põhjustanud Gutiérrez Alvarado, kes sõitis otse kaljuseinalt alla ookeani; ainult tilluke silt maas tuletas talle meelde, et viimasel hetkel tuleb vasakule pöörata.

Suurem osa sellest veest on aga maakoore organismide jaoks kättesaamatus kohas. Suure osa päevast lähevad kivid nii kuumaks, et nende kohale tekib röstivalt kuuma õhu piirkiht, mis takistab mikroobidel niiskust endasse imamast. Mikroorganismid on õppinud päevasoojust ära ootama dehüdreeritud ja uinunud olekus. Kuid öösel pole neil päikesevalgust, mida fotosünteesiks kasutada. Seega on mikroobidel udu või kastena kondenseerunud vett juua maksimaalselt paar tundi pärast päikesetõusu.

Jung ja kolleegid testisid, kui vähe vett vajavad mikroobid fotosünteesi alustamiseks. Ideaalne portsjon oli 0.25 millimeetrit vett – vähem kui ühegi teise teadaoleva biokooriku nõue. Kui mikroobid on niisutatud, hakkavad nad fotosünteesima kiiremini kui ükski kogukond, mida teadlased on kunagi näinud.

"Nendel organismidel on võimalus elada kaua ja õitseda, hoolimata tõsiasjast, et nad asuvad hüperkuivas piirkonnas," ütles Belnap. See leidlikkus laiendab tohutult maastikku, mille biokoorikud võivad hõivata, kaugemale sellest, mida teadlased arvasid. Kuigi sõmerkoort on seni leitud ainult Pan de Azúcarist, kahtlustavad teadlased, et see võib kasvada ka teistes Atacama piirkondades ja võib-olla ka Lõuna-Aafrika kõrbetes.

"Käbukoor seab uue läve tingimuste jaoks, mis muudavad elu võimalikuks," ütles Jung.

Kuid nii nagu kõrb on need mikroobid konditsioneerinud, kujundavad mikroobid sõna otseses mõttes kõrbe. Kuna kõik pisikesi kive koloniseerivad organismid, suureneb kivide maht ligikaudu 25% võrra, kui maakoored saavad märjaks ja rakud rehüdreerivad end. Kui kõrbeudu sisse ja välja veereb, paisuvad ja kahanevad liivakivid. Need regulaarsed kokkutõmbed koos mikroobide poolt fotosünteesi käigus eritatavate hapetega omavad "bioloogilist ilmastikumõju" – lõhustavad kivid veeristeks ja kivikestest liivaks.

Kui kõik biokoorikud mõjuvad mingil määral murenemisele, siis sõmerkooriku suuremad terad sobivad selle jaoks eriti hästi. Protsess paljastab mikroobide täieliku potentsiaali oma keskkonda mõjutada. Mikroobne nahk võib kivikesi kokku liimida, need mullaks lagundada ja seda mulda oluliste toitainetega väetada. Tegelikult võib maakoor kõrbe "terraformeerida".

Mikroobide jõud oli täielikult nähtav pärast 2015. aasta katastroofi. Kaks aastat enne Jungi sammu Pan de Azúcari laastas piirkonda haruldane äkiline üleujutus. Vaid kahe päevaga sadas piirkonda mitu aastat vihma. Sellest tulenevad üleujutused põhjustasid naaberlinnades vähemalt 31 surma.

Kõrbes aga õhkas elu. Järgmiste kuude jooksul tekitas mustus imelise metsalillede väljapaneku – "desierto florido". See, kuidas taimed aastakümnete pikkusest puhkusest sellise innuga ärkasid, on mullabioloogid hämmeldunud. Kuid jällegi võib võti olla maakoores.

Fernando D. Alfaro, Tšiili Major Ülikooli mikroobiökoloog, kontrollib seda hüpoteesi, vallandades kõrbele oma pisikesed üleujutused. Ta valab galloneid pudelivett ruutmeetristele kõrbepinnastele. Biokoorega kaetud maatükid hoiavad vett palju kauem ja mõnel on õnnestunud taimed tärgata vaid mõne nädalaga.

"Palju aastaid valmistavad [biokoorikud] süsteemi ja substraati ette, et reageerida sellele vihmasajule väga kiiresti," ütles Alfaro. "Need lillesündmused sõltuvad nendest väikestest mikroobide kogukondadest."

Ka Jung on olnud tunnistajaks mikroobide vastupidavusele. Pan de Azúcari ümbruse 11 kohas valis ta naabruses olevad mustad ja valged laigud ning mõõtis nende bioloogilist aktiivsust. Seejärel kogus ta ülemise kruusakihi, steriliseeris selle kiirkeetjas ja asetas tagasi maapinnale. Aastaga muutusid kunagised mustad alad taas pimedaks, kuna mikroorganismid hakkasid steriilseid maatükke uuesti asustama – palju kiiremini kui tavaliselt juhtub samblike ja teiste biokoorikutes olevate mikroobidega. Viimase kümnendi jooksul tehtud kaugseire andmed on näidanud, et 89% pargi pinnast on kaetud kabemustriga. Selles koloniseeritud piirkonnas on umbes veerand must-valgest disainist viimase kaheksa aasta jooksul nihkunud – see on tavaliselt loid mikroobide jaoks üllatavalt kiire reaktsiooniaeg.

Väikesed maavallutajad

Maakoorel on kohalikus ökosüsteemis oluline roll, kuid selle teaduslik võlu ei piirdu sellega. Iidne, stabiilne ja ebamaine keskkond tõmbab ka astrobioloogide tähelepanu.

Aastakümneid on teadlased kasutanud Atacama kõrbe osi kui maapealsed analoogid Marsi jaoks. Äärmuslik kiirgus, harvaesinevad sademed, viljatu maastik ja metsikud temperatuurikõikumised muudavad kõrbe omapäraselt teispoolsuseks. (Gutiérrez Alvarado aga väidab, et Pan de Azúcari puhul on kõige võõramad tema kaaspargivahid – "kindlasti on nad marslased," ütles ta naeratades.)

Teadlased kasutavad Atacama biokoore, et luua keemiliste signatuuride raamatukogu, mis võiks suunata Marsil mikroobide elu otsimist. Kuid biokoore organismid avavad ka akna elule veidi vähem võõral planeedil: varajasel Maal.

Fossiilsed tõendid viitab sellele, et mikroobid elasid süvamere hüdrotermiliste avade läheduses umbes 3.5 miljardit aastat tagasi. Millal ja kuidas elu maa vallutas, on aga vähem selge. Mandrite maastik oli raskem, teravam ja palju keelavam kui praegu.

"Teil poleks olnud nii hästi arenenud pinnast nagu praegu," ütles Ariel Anbar, Arizona osariigi ülikooli geokeemik. "Taimed, mis sõltuvad külalislahke keskkonna loomiseks sellest, et varem on olnud palju põlvkondi taimi – neil oleks olnud raske aeg."

Mõned teadlased arvavad, et enne taimede saabumist võisid mikroobide koorikud aidata maad ette valmistada, muutes palja kivi väetatud pinnaseks. Ekstreemsete tingimustega hästi kohanenud biokoor võiks haarata sobiva substraadi, mis sisaldas toitaineid ja oli regulaarselt uduga niisutatud. Kivide järkjärguline ilmastikukindlus ja sette mullana stabiliseerimine võib muuta keskkonda viisil, mis soodustas kõrgemate organismide arengut.

"See Pan de Azúcari biokoorik esindab seda stsenaariumi," ütles Alfaro. "See on nagu ürgne kooslus, mis suurendab muldade arengut ja muudab kooslusi keerukamaks."

Tänapäeval Atacama maakoore mikroobid ei ole täiuslik koopia mikroobidest, mis võisid varajase Maa ette valmistada. Selline iidne kooslus oleks tõenäoliselt häälestatud hapnikuvaesele keskkonnale ja ilma sambliketa, mis arvatakse olevat arenenud alles viimase 250 miljoni aasta jooksul. Kuid teadlased nõustuvad, et tänapäevased koorekooslused võivad endiselt olla väärtuslikud analoogid sellele, mis oli eoneid varem.

Mõte, et mikroobid võisid Maa varajase elamiskõlblikkuse esile kutsuda, ei ole uus. 1980. aastatel tegid keskkonnateadlased David Schwartzman Howardi ülikoolist ja Tyler Volk New Yorgi ülikoolist ettepaneku, et bioloogiline ilmastikuolud varajase maismaaelu tõttu oleks võinud atmosfäärist eraldada piisavalt süsinikdioksiidi, et jahutada Maa pinda teistele olenditele elamiskõlblikuks levialaks. "Meil on tõendeid tõeliselt intensiivse ilmastiku kohta Arheanis," ütles Schwartzman. "Arvatavasti mängisid biokoored selles mingit rolli."

Kuid me ei pea tuginema oletustele. Viimastel aastakümnetel on Arheani ajal maismaal mikroobikoosluste kohta ilmnenud kaudseid tõendeid. Oregoni ülikooli emeriitprofessor Gregory Retallack usub, et on juba 3.7 miljardit aastat tagasi leidnud tõendeid biokooret meenutavate koosluste kohta fossiilsete muldade (või "paleosoolide") kohta, mis seab kahtluse alla levinud oletuse, et elu tekkis merest. "Paleosoolide tõendid on üsna selged, et maismaal oli igasuguseid asju, isegi väga varakult," ütles ta. "Neid mikroobse kooriku kangaid näete palja silmaga."

Meeskond, mida juhib Christophe Thomazo, Burgundia ülikooli geobioloog, leidis tõendeid selle kohta, et mõned kaasaegsed biokoorikud võisid arheaani ajal varajase Maa atmosfääris ellu jääda: nende mikroobid võisid gaasilise lämmastiku tõhusalt ammooniumiks ja nitraadiks siduda, andes tärkavasse globaalsesse keskkonda juurdepääsetavaid toitaineid. ökosüsteem. Teadlased märkasid ka, et osa kõrbe biokoorikute isotoopse süsiniku ja lämmastiku sisaldusest sarnaneb Arheani kivimite omaga.

"Nendes biokoorikutes on allkirju, mis ühilduvad arhea orgaanilise ainega," ütles Thomazo. Ta on "üsna kindel", et planeedi esimesed maapealsed asukad olid midagi tänapäevaste biokoorikute sarnast.

Vastupidav, kuid habras

Pargist väljasõidu ajal peatab Gutiérrez Alvarado auto, väljub ja pöörab ümber. Tema auto rehvijäljed on järsult läbi viilutatud tihedast sõmerakoorest, jättes nende jälgedesse hulga mikroobide laipu. Maakoor on vastupidav, kuid see pole kaugeltki hävimatu ja isegi inimese jalajäljed võivad sellest väikesed tükid pühkida. Seetõttu on rahvuspargi teenistus Ameerika Ühendriikide lääneosas üles riputanud sildid "Ära murra maakoort", kutsudes matkajaid üles jääma radadele, et kaitsta hingavat pinnast.

Gutiérrez Alvarado hindab avardust koorekiht. Ta ütles, et metsavahina on tema missiooniks kaitsta pargi maastikku ja kõike, mis seal elab, hooletute külastajate ja invasiivsete kaevandustööde eest. Uuringus avaldati aprillis mille ta kirjutas koos Jungi ja van den Brinkiga, kutsus ta Tšiili rahvuspargi juhtkonda üles arvestama oma looduskaitsekavades biokrustidega.

"Peame põhjendama, miks sulgeme teed või mõned rajad, et keegi ei saaks sinna minna," ütles Gutiérrez Alvarado. "Meil pole seadusi, seega on uuringud meie varu."

Kuid biokoorikud seisavad silmitsi inimtekkelise ohuga, mis on palju hullem kui jalajäljed: kliimamuutus.

2018. aastal avaldasid Belnap, Büdel ja nende kolleegid uuringu, milles hinnati, kuidas erinevad biokoorikud üle maailma kohaneksid kliimamuutuste ja maakasutuse intensiivistumisega. Nende mudelid ennustasid, et sajandi lõpuks võib biokoorikute ülemaailmne katvus väheneda 25% või rohkemgi. Need vähendamised võivad muuta pinnase tervislikumaks ja põhjustada lahtise tolmu sadestumist lumekottide peale, püüdes kinni rohkem soojust ja süvendades planeedi kliimahädasid. "Siis hakkame tõesti nägema analooge Marsiga," ütles van den Brink.

Selle mudeli puhul paistavad aga silma Atacama biokoorikud. Täiustatud kliimastsenaariumide korral, kui enamik teisi koorikuid sureb, näib kruus õitsevat.

Päikese taandudes ronime Gutiérrez Alvarado, van den Brink ja mina liivase künka otsa, et heita veel viimane pilguheit mägedele, mida udu neelab. Ülalt võin ka imetleda impeeriumi tõelist avarust ja selle leegione, kes vaikselt silmapiirini territooriumi nõuavad. Ma ei saa jätta mõtlemata, kuidas kivid võisid kogu aeg hoida veel üht saladust: et kui sellised mikroobid saabusid esimestena, siis võib-olla lähevad nad ka viimastena.