熾烈な砂漠で微生物の「地殻」が示す、生命がいかにして大地を飼いならしたか | クアンタマガジン

2017年、ドイツの科学者チームは、生物がどのようにして地球の表面を形作っているのかを調査するためにチリを訪れました。 地元のレンジャーの案内で、地球上で最も乾燥した場所と言われるアタカマ砂漠の南海岸にある約150平方マイルの国立公園、パン・デ・アズーカルを案内した。 彼らは時折丘に遮られた平らな砂利の荒地にいることに気づきました。そこでは毛むくじゃらのサボテンが雨の降らない空に向かって腕を伸ばしていました。 彼らの足の下の地面はチェッカー盤を形成し、骨のように漂白された明るい石の間に暗い小石の不規則な斑点が置かれていました。

当初、グループリーダーは砂漠の表面に点在する黒い斑点に興味を示さなかった ブルクハルト・ビューデル、過去数十年間、生命の痕跡を求めてXNUMX大陸すべての砂漠を削り取ってきたベテランの生物学者です。 砂漠ワニスとして知られるこのような変色はどこにでも見られ、マンガンやその他の鉱物の堆積を日常的に示しています。 動き続けなさい、と彼はチームメイトに指示した。

しかし彼の大学院生は、 パトリック・ユング チェッカーボードが頭から離れなかった。 いくつかの暗い小石の上に地衣類のようなものを見つけたユングは、そこにはさらに何かが生息しているのではないかと疑った。 最終的に、彼は石を拾​​い上げ、ボトルから水を垂らして、手持ちの拡大レンズを通してそれを覗き込みました。 黒い石の表面が緑に輝きました。 瓦礫が生き返っていました。

ユングはパックから光合成モニターを取り出した。 蛍光青色のセンサーをXNUMX回タップすると、岩石内部の何かが二酸化炭素を酸素に変換していることが確認された。 ビューデルを含むユングの同僚たちが実験を再現した後、全員が砂漠の太陽の下で興奮して踊りました。 それから彼らは腹ばいで横になり、目は塵の中に生息する微生物のカーペットに釘付けになりました。 彼らの周囲では、暗い斑点が風景全体に繰り返し現れ、それぞれが独自の微視的な宇宙で満たされていました。

2019年以来、ユングはドイツのカイザースラウテルン応用科学大学で、 異常な微生物のコミュニティ、現在はグリットクラストとして知られています。 彼のチームは、これらの微生物が悪名高い敵対的な土地に生息することを可能にした極端な適応を理解するために取り組んできました。そこでは、霧を一口飲むことによってのみ微生物がリフレッシュされます。 の 彼らが発見した答え これらは、数十億年前に生命がどのようにして初めて地球の表面を掴むことができたのかについての手がかりを提供します。

XNUMXか月前、最初にドイツの科学者たちをパン・デ・アスーカルに連れて行った公園レンジャーが私を彼らの発見現場に案内してくれました。 ホセ・ルイス・グティエレス・アルバラドさんはチェッカー盤の黒い空間の一つにひざまずいて、イヤリングのスタッドほどの大きさの石を拾った。 彼はポケットから宝石商の拡大ルーペを取り出しました。これは、「ロス・セクレトス・デ・ラス・ロカス」という言葉が刻まれた個人的な思い出の品でした。 彼は私にもその秘密を教えてもらうために、手のひらにある石の上にルーペをかざしました。

過去XNUMX年間毎日砂漠をパトロールしてきたグティエレス・アルバラドさんは、グリットクラストの発見により砂漠を一変させた。 「それはただの岩ではないし、単なる空き地でもない」と彼は小石のパッチを見つめながら言った。 「今、すべてが息づいています。」

地球の生きた皮膚

グティエレス・アルバラドと一緒にパン・デ・アズーカルをドライブするのは、地質学的タイムマシンに乗っているようなものです。 ある時代の古代の火山洞窟は、別の時代の侵食された砂のなだらかな丘に姿を消し、その向こうには時折草の生い茂った採石場やサボテンの木立が横たわっています。

丘の間には、さまざまな鉱物で味付けされた石英の山である母岩の露頭が覗いています。 その足元には、何百万年もかけて壊れた、その子孫である小さな塊が横たわっています。 その下には、ユングを最初に魅了したイヤリング大の粒に至るまで、徐々に小さな岩のパレードが続いています。 砂漠の床に散らばる小石は、地元では「マイシロ」、英語では「グリット」として知られています。 基材は十分に多孔質であり、微生物が入り込むための亀裂や角がたくさんあります。 それぞれのグレードの岩の隙間に、緑と黒の生命の小さな茂みが入り込んでいます。

2017年の遠征中に、ユングはこの砂のサンプルを収集して乾燥させ、ドイツに送り返しました。 その後、彼は微生物についてもっと学ぶことに熱心に取り組み、わずか 10 年半で博士号を取得し、XNUMX 冊を超える出版物を出版しました。 DNA サンプルから、彼は、グリットクラストが数百種のシアノバクテリア、緑藻類、菌類で構成されており、これまで知られていなかった地衣類の組み合わせもいくつか含まれていると推測しました。 一方、同僚たちは画像化のために石を薄くスライスした。 写真には、個々の菌類の菌糸が岩石に深く穴を開け、分岐した運河のネットワークを切り開いている様子が示されていました。

一見したところ、グリットクラストは、研究者が生物学的土壌クラスト、または「バイオクラスト」と呼んでいるもの、つまり、密着したシートで土壌を覆う、共存する細菌、菌類、藻類、その他の微生物のコミュニティの典型的な例のように見えるかもしれません。 地球の陸地の約 12% は生物地殻で覆われています。 生態学者はしばしばこれらのコロニーを地球の「生きた皮膚」と呼びます。

過去 2012 世紀にわたり、科学者たちは世界中でバイオクラストを特定し、生態系の形成におけるバイオクラストの役割を理解するために取り組んできました。 彼らは、地殻が土壌粒子を所定の位置に固定し、その土壌で育つ生物に炭素、窒素、リンなどの必須栄養素を提供することを学びました。 XNUMX年、ビューデルとその同僚たちは、 推定 バイオクラストは、陸生植物によって化学的に「固定」されている全炭素の約 7% と全窒素のほぼ半分を吸収し、リサイクルします。 可消化窒素を調達するバイオクラストの役割は、乾燥した砂漠では特に重要です。他の地域では、雷によって大気中の窒素が硝酸塩に変換されることがよくありますが、砂漠では雷雨はまれです。

バイオクラストは「豊饒の小さなオアシス」を作り出すと述べた ジェーン・ベルナップ、米国地質調査所の生態学者であり、2001 年に「バイオクラスト」という用語の標準化に貢献しました。「その地域は、土壌生物にとってアイスキャンディーのようなものになるでしょう。 彼らは私たち全員と同じように砂糖中毒者なのです。」

しかし、パン・デ・アスーカルの微生物群集は、単なる古い生物地殻ではありません。 従来のバイオクラストは細かい土壌粒子の最上層を覆い、他の種類の生物は個々の岩の上に直接発芽しますが、「砂粒はその間にあり、それは移行ゾーンです」と同氏は述べた。 リースベス・ファン・デン・ブリンク、テュービンゲン大学の生態学研究者で、現在はグティエレス・アルバラドとともにパン・デ・アズーカル郊外に住んでいます。 グリットクラストでは、石が構造を提供しますが、微生物は石庭にグラウトで注入される樹脂の薄い層のように、凝集したシートの中で石に定着します。

生物は岩石の基質と非常に密接に関係しているため、砂殻は「非生物と生物の衝突」を具体化していると述べた。 ロムロ・オセス、アタカマ大学の生物学者。 「このインターフェイスでは、多くの答えが表示されます。」

パン・デ・アスーカルの砂の塊は、科学者たちに次のことを強いた。 概念を拡張する 生物地殻とは何なのか、微生物はどこで生存できるのか、そして微生物群集が周囲の環境をどのように形作るのかについて。 彼らは、地球と生命が時代を超えてどのように共進化したかについて再考するための扉を開きつつあります。

霧をすすりながら

パン・デ・アズーカルは荒廃しているが、活気がないわけではない。 海面近くで太平洋に隣接するこの公園は、高地にあるアタカマの超乾燥地帯の中心部よりもはるかに温暖です。 それでも、年間降水量はせいぜい 12 ミリメートルで、日射量はしばしば猛烈に高くなる。

公園唯一のフードトラックに向かう途中、グティエレス・アルバラド、ファン・デン・ブリンク、そして私は地元のシーフードエンパナーダを食べるために立ち寄ることができるので、寄り道をします。 グティエレス・アルバラドは、有刺鉄線で囲まれ、砂漠の岩で固定されている気象監視装置の 83 つを確認するために立ち止まりました。 その隣に、ラマの野生の親戚であるグアナコが最近砂浴びをしていた、地面にあるおよそ牛ほどの大きさのくぼみを彼は指摘した。 グティエレス・アルバラド氏と他のレンジャーは最近、公園内に生息するグアナコの数をXNUMX匹数えた。

「彼らはどうやってここで生き延びているのでしょうか？」 ヴァン・デン・ブリンクは驚いた。 「ここではどうやって何かが生き残るのですか？」

その答えは、チリの海岸線に立ち込める独特の濃い霧であり、地元ではカマンチャカとして知られる気象現象です。 降水量が非常に少ないため、パン デ アスーカルのすべての生命は最終的には霧が運ぶ湿気に依存しています。 たとえば、グアナコは、サボテンに張り付いたコケによって捕らえられた水を一口飲むことに依存しており、サボテンは砂殻で肥沃な土壌で成長します。

公園にいる人間たちも例外ではありません。 海岸を見下ろす尾根には、ガレージのドアほどの大きさの XNUMX つのメッシュ パネルが設置されており、グティエレス アルバラドと他のレンジャーは霧収集装置として設置しました。 毎日、公園の数少ないトイレのシンクに水を供給するのに十分な量の水が結露します。 霧が非常に濃いため、グティエレス・アルバラド選手は一度崖から海に突っ込みそうになったほどだ。 地面にある小さな標識だけが、最後の瞬間に左折するよう彼に思い出させた。

しかし、その水のほとんどは、砂殻生物の手が届かないところにあります。 一日のほとんどの間、石は非常に高温になるため、石の上に焼けるような熱い空気の境界層が形成され、微生物が水分を吸収することができなくなります。 微生物は、脱水の休眠状態で日中の暑さをしのぐことを学習しました。 しかし、夜になると光合成に使用できる太陽光がありません。 したがって、微生物が霧や露として凝縮した水を飲むのは、日の出後せいぜい数時間以内です。

Jungらは、微生物が光合成を開始するのにどれくらいの水分が必要なのかをテストした。 理想的な摂取量は 0.25 ミリメートルの水でしたが、これは他の既知のバイオクラストの必要量よりも低かったです。 湿った微生物は、研究者がこれまでに見たどの群集よりも早く光合成を開始します。

「超乾燥地帯に生息しているにもかかわらず、これらの生物が長生きして繁栄する方法はあります」とベルナップ氏は言う。 この機知に富んだ結果、バイオクラストが占拠できる領域は科学者が考えていた以上に大幅に拡大されました。 これまでのところ、グリットクラストはパン・デ・アスーカルでのみ発見されているが、研究者らは、それがアタカマの他の地域、そしておそらくアフリカ南部の砂漠でも成長する可能性があると疑っている。

「グリットクラストは生命を可能にする条件の新たな基準を設定している」とユング氏は語った。

しかし、砂漠がこれらの微生物を条件付けてきたのと同じように、微生物は文字通り砂漠を形作ります。 小さな岩にはあらゆる微生物が定着しているため、砂のクラストが濡れて細胞が水分を補給すると、各砂石の体積は約 25% 増加します。 砂漠の霧が立ち込めたり消えたりするにつれて、砂利石は膨らんだり縮んだりします。 これらの定期的な収縮は、光合成中に微生物によって分泌される酸とともに、岩石を小石に、小石から砂利に砕く「生物学的風化」効果をもたらします。

すべてのバイオクラストはある程度の風化を行いますが、粒子の大きなグリットクラストは特に風化に適しています。 このプロセスは、微生物が環境に影響を与える可能性を最大限に明らかにします。 微生物の皮膚は小石を接着し、それらを土壌に分解し、その土壌を必須の栄養素で肥沃にすることができます。 実際、地殻は砂漠を「テラフォーミング」することができます。

微生物の力が最大限に発揮されたのは、2015 年の災害の後です。ユング氏がパン デ アスーカルに足を踏み入れる 31 年前、まれに起こる鉄砲水がその地域を襲いました。 わずか XNUMX 日間で、その地域には長年分の雨が降りました。 その結果生じた洪水により、近隣の町で少なくともXNUMX人が死亡した。

しかし、砂漠には生命があふれていました。 その後数か月間、その土は奇跡的な野生の花、「デシエルト フロリド」を生み出しました。 植物が数十年にわたる休息からどのようにしてこのような熱意を持って目覚めたのか、土壌生物学者は困惑している。 しかし、繰り返しになりますが、鍵は地殻の中にあるかもしれません。

フェルナンド・D・アルファロチリのメジャー大学の微生物生態学者である彼は、自分自身の小さな洪水を砂漠に解き放つことによってその仮説を検証しています。 彼は、砂漠の土壌の平方メートルの土地にボトル入りの水を何ガロンも注ぎます。 バイオクラストで覆われた区画は水をはるかに長く保持し、わずか数週間で植物を発芽させることに成功した区画もあります。

「長年にわたり、[バイオクラスト]はこの雨の侵入に非常に迅速に反応するシステムと基質を準備してきた」とアルファロ氏は述べた。 「これらの花の出来事は、微生物の小さなコミュニティに依存しています。」

ユングも微生物の回復力を目の当たりにしました。 パン・デ・アスカル周辺の11の地点で、彼は隣接する黒と白の斑点を選択し、それらの生物活性を測定した。 次に、砂の最上層を集め、圧力鍋で滅菌し、地面に戻しました。 89 年以内に、微生物が無菌区画に再定着し始めると、かつては黒かった領域が再び暗くなりました。これは、生物地殻内の地衣類や他の微生物で通常起こるよりもはるかに早く発生します。 過去 XNUMX 年間に取得されたリモート センシング データによると、公園の表面の XNUMX% が市松模様で覆われています。 その定着地域内では、白黒のデザインの約 XNUMX 分の XNUMX が過去 XNUMX 年間で変化しました。これは、通常は鈍い微生物にとって驚くほど早い反応時間でした。

小さな土地の征服者たち

砂殻は地元の生態系において重要な役割を果たしていますが、その科学的な魅力はそれだけにとどまりません。 古代、安定した、そしてこの世のものとは思えないこの環境は、宇宙生物学者の注目を集めています。

何十年もの間、科学者たちはアタカマ砂漠の一部を 地球上の類似物 火星のために。 極端な放射線、まれな降水、不毛の地形、そして激しい気温の変動により、砂漠は独特の別世界のようなものになっています。 （しかし、グティエレス・アルバラド氏は、パン・デ・アスカル氏にとって最も異質なところは仲間のパークレンジャーたちだと主張する――「間違いなく彼らは火星人だ」と彼は笑いながら言った。）

研究者たちは、アタカマのバイオクラストを使用して、火星での微生物の探索をガイドする可能性のある化学的特徴のライブラリを構築しています。 しかし、生物地殻生物は、それほど異質ではない惑星、つまり初期の地球の生命への窓も開きます。

化石証拠 約3.5億年前には深海の熱水噴出孔付近に微生物が生息していたことを示唆している。 しかし、生命がいつ、どのようにしてこの土地を征服したのかは、あまり明らかではありません。 大陸の地形は今日よりも厳しく、鋭く、はるかに険しいものでした。

アリゾナ州立大学の地球化学者、アリエル・アンバー氏は、「現在のように土壌がうまく発達していなかったでしょう」と語る。 「快適な環境を作り出すために、何世代も前に存在した植物に依存している植物は、大変な苦労をしていたでしょう。」

一部の研究者は、植物が到来する前に、微生物の殻が裸の岩を肥沃な土壌に変えて土地を準備するのに役立った可能性があると考えています。 極端な条件によく適応したバイオクラストは、栄養素を保持し、定期的に霧で湿らせた適切な基質を保持することができました。 岩石を徐々に風化し、堆積物を土壌として安定させることで、高等生物の発達を促進する形で環境を変えることができます。

「パン・デ・アスーカルのこの生物地殻は、このシナリオを表している」とアルファロ氏は語った。 「土壌の開発を促進し、より複雑なコミュニティを作る原始的なコミュニティのようなものです。」

現在のアタカマの砂殻微生物は、初期の地球を準備した可能性のある微生物の完全な複製ではありません。 このような古代のコミュニティは酸素欠乏環境に適応しており、過去 250 億 XNUMX 万年の間にのみ進化したと考えられている地衣類が存在しないように調整されていた可能性があります。 しかし研究者らは、現代の砂殻群落が依然として、はるか昔に存在したものの貴重な類似物として機能し得ることに同意している。

微生物が初期の地球の居住可能性を促進した可能性があるという考えは新しいものではありません。 1980年代、ハワード大学の環境科学者デイビッド・シュワルツマンとニューヨーク大学のタイラー・フォルクは次のように示唆した。 生物学的風化 初期の陸上生物によって引き起こされたこの現象は、地球の表面を他の生物が生息できる範囲に冷却するのに十分な量の二酸化炭素を大気から隔離した可能性があります。 「始生代における非常に激しい風化の証拠がある」とシュワルツマン氏は語った。 「おそらくバイオクラストがそれに何らかの役割を果たしたのでしょう。」

しかし、仮定に頼る必要はありません。 過去数十年にわたって、始生代の陸上の微生物群集に関する間接的な証拠が明らかになりました。 オレゴン大学の名誉教授であるグレゴリー・レタラック氏は、3.7億年前まで遡り、化石化した土壌（または「古土壌」）の中にバイオクラストに似た生物群集の証拠を発見したと信じており、これは生命が海で生まれたという一般的な仮定に疑問を投げかけるものである。 「古土壌から得られた証拠は、ごく初期の段階であっても、陸上にあらゆる種類のものが存在したことをかなり明確に示しています」と彼は言う。 「これらの微生物の皮の生地は肉眼で見ることができます。」

が率いるチーム クリストフ・トマゾブルゴーニュ大学の地球生物学者である彼は、現生生物地殻の一部が始生代の初期地球の大気中で生存できた可能性があるという証拠を発見した。それらの微生物は気体窒素を効率的に固定してアンモニウムと硝酸塩にし、新興地球に利用可能な栄養素を届けていた可能性がある。生態系。 研究者らはまた、一部の砂漠の生物地殻の同位体炭素および窒素含有量の一部が始生代の岩石の同位体含有量に似ていることにも気づいた。

「（これらの生物地殻には）始生代の有機物と互換性のある痕跡があります」とトマゾ氏は語った。 彼は、地球の最初の地上居住者は現代の生物地殻に似たものだったと「非常に自信を持って」います。

弾力性があるが壊れやすい

公園から車で出る途中、グティエレス・アルバラドさんは車を止め、車から降りて向きを変えた。 彼の車のタイヤの跡は、密集した砂殻を鋭く切り裂き、その跡には多数の微生物の死骸が残された。 地殻は弾力性がありますが、破壊できないわけではなく、人間の足跡でさえその小さな塊を消し去ることができます。 そのため、国立公園局は米国西部全域に「地殻を破壊しないでください」という標識を掲示し、呼吸する土壌を守るために登山道から外れないようにとハイカーに呼び掛けている。

グティエレス・アルバラドは、広大なグリットクラストを大切にしています。 レンジャーとしての彼の使命は、公園の景観とそこに生息するすべてのものを不注意な訪問者や侵入的な採掘作業から守ることである、と彼は語った。 研究で XNUMX月に発行 彼はユング氏とヴァン・デン・ブリンク氏との共著で、チリの国立公園管理者に対し、自然保護計画の中でバイオクラストを考慮するよう促した。

グティエレス・アルバラド氏は、「誰もそこに行けないように道路を閉鎖したり、一部の小道を閉鎖したりする理由を正当化する必要がある」と語った。 「私たちには法律がないので、研究が私たちのバックアップです。」

しかし、バイオクラストは、フットプリントよりもはるかに深刻な人為的脅威、つまり気候変動に直面しています。

2018年、ベルナップ、ビューデルらは、世界中のさまざまな生物地殻が気候変動と土地利用の強化にどのように適応するかを推定した研究を発表した。 彼らのモデルは、今世紀末までに世界のバイオクラストの範囲が 25% 以上減少する可能性があると予測しました。 これらの削減により、土壌の健全性が低下し、雪塊の上に粉塵が堆積し、より多くの熱が閉じ込められ、地球の気候変動が悪化する可能性があります。 「そうすれば、本当に火星の類似点が見え始めるでしょう」とヴァン・デン・ブリンク氏は語った。

ただし、このモデルではアタカマのバイオクラストが際立っています。 高度な気候シナリオでは、他のほとんどの地殻が消滅すると、砂利が繁栄するように見えます。

太陽が遠ざかるにつれて、グティエレス・アルバラド、ファン・デン・ブリンク、そして私は霧に飲み込まれていく丘陵を最後に一目見るために砂丘に登りました。 頂上からは、地平線の彼方まで静かに領土を主張しているグリット・エンパイアとその軍団の真の広がりを賞賛することもできます。 岩石はずっと、もう一つの秘密を抱えていたのではないかと思わずにはいられません。それは、このような微生物が最初に到達したのなら、おそらく最後に到達することになるかもしれないということです。