In een woeste woestijn laten 'korstjes' van microben zien hoe het leven het land temde | Quanta-tijdschrift

In 2017 trok een team wetenschappers uit Duitsland naar Chili om te onderzoeken hoe levende organismen het aangezicht van de aarde vormgeven. Een lokale boswachter leidde hen door Pan de Azúcar, een ongeveer 150 vierkante kilometer groot nationaal park aan de zuidkust van de Atacama-woestijn, dat vaak wordt beschreven als de droogste plek op aarde. Ze bevonden zich in een vlakke, grindachtige woestenij, onderbroken door hier en daar heuvels, waar harige cactussen hun armen uitstrekten naar een hemel die nooit regende. De grond onder hun voeten vormde een dambord, met onregelmatige stukken donkere kiezelsteentjes tussen lichtere, gebleekt als bot.

Aanvankelijk interesseerden de zwarte vlekken op het woestijnoppervlak de groepsleider niet Burkhard Budel, een doorgewinterde bioloog die de afgelopen decennia woestijnen op alle zeven continenten had afgegraven op zoek naar tekenen van leven. Verkleuringen zoals deze, bekend als woestijnvernis, zijn alomtegenwoordig en duiden routinematig op afzettingen van mangaan of andere mineralen. Blijf in beweging, instrueerde hij zijn teamgenoten.

Maar zijn afgestudeerde student Patrick Jung kon het dambord niet uit zijn hoofd krijgen. Toen Jung iets zag dat op korstmossen leek op enkele van de donkere kiezelstenen, vermoedde hij dat er iets meer in zou kunnen leven. Uiteindelijk pakte hij een steen, druppelde er wat water uit een fles op en tuurde ernaar door zijn vergrootglas. Het gezicht van de zwarte steen brak uit met groen. Het puin was tot leven gekomen.

Jung haalde een fotosynthesemonitor uit zijn rugzak. Eén tik op de fluorescerende blauwe sensor bevestigde dat iets in de rotsen koolstofdioxide omzet in zuurstof. Nadat Jungs collega's, inclusief Büdel, het experiment hadden herhaald, dansten ze allemaal van opwinding onder de woestijnzon. Daarna gingen ze op hun buik liggen, hun ogen gericht op het microbiële tapijt dat in het stof leefde. Overal om hen heen herhaalden de donkere vlekken zich in het landschap, elk gevuld met zijn eigen microscopisch universum.

Sinds 2019 leidt Jung een project aan de University of Applied Sciences in Kaiserslautern, Duitsland, gewijd aan de studie van de ongewone gemeenschap van microben, nu bekend als gritkorst. Zijn team heeft gewerkt aan het begrijpen van de extreme aanpassingen die deze micro-organismen in staat hebben gesteld om een ​​land te bewonen dat zo berucht vijandig is, waar ze slechts af en toe worden opgefrist door slokjes mist. De antwoorden die ze hebben gevonden bieden aanwijzingen over hoe het leven miljarden jaren geleden voor het eerst greep heeft gekregen op het oppervlak van onze planeet.

Twee maanden geleden leidde de parkwachter die de Duitse wetenschappers voor het eerst naar Pan de Azúcar bracht me naar de plaats van hun ontdekking. José Luis Gutiérrez Alvarado knielde in een van de zwarte ruimtes van het dambord en raapte een steen op ter grootte van een oorknopje. Uit zijn zak haalde hij een vergrotende juweliersloep, een persoonlijk aandenken met de woorden 'Los secretos de las rocas'. Hij hield de loep boven de steen in zijn handpalm zodat ik ook de geheimen ervan kon leren.

De ontdekking van de gruiskorst transformeerde de woestijn voor Gutiérrez Alvarado, die er de afgelopen tien jaar elke dag heeft gepatrouilleerd. 'Het zijn niet alleen rotsen, niet alleen lege ruimte,' zei hij terwijl hij over de keien naar buiten tuurde. "Alles ademt nu."

De levende huid van de planeet

Rijden door Pan de Azúcar met Gutiérrez Alvarado is als rijden in een geologische tijdmachine. Oude vulkanische grotten uit het ene tijdperk vervagen tot glooiende heuvels van geërodeerd zand uit een ander tijdperk, en daarachter bevindt zich af en toe een met gras begroeide steengroeve of een cactusbos.

Tussen de heuvels gluurt een uitloper van het moedergesteente, een hoop kwarts gekruid met verschillende mineralen. Aan zijn voeten liggen zijn nageslacht, kleinere brokken die in de loop van miljoenen jaren zijn afgebroken. Onder hen bevindt zich een parade van steeds kleinere rotsen, helemaal tot aan de korrels ter grootte van een oorbel die Jung voor het eerst boeiden. De kiezelstenen, die op de woestijnbodem liggen, staan ​​plaatselijk bekend als "maicillo" en in het Engels als "grit". Het substraat is ruim poreus en biedt veel scheuren en hoeken waar microben in kunnen snuffelen. Ingeklemd in de spleten van elke rotssoort zijn kleine struikgewas van groen en zwart leven.

Tijdens de expeditie van 2017 verzamelde en droogde Jung monsters van dit gruis en stuurde ze terug naar Duitsland. Daarna stortte hij zich met zo'n vastberadenheid op het leren van meer over de microben dat hij zijn doctoraat in slechts twee en een half jaar afrondde, met meer dan 10 publicaties om dat te bewijzen. Uit DNA-monsters leidde hij af dat de gruiskorst is samengesteld uit enkele honderden soorten cyanobacteriën, groene algen en schimmels, waaronder verschillende voorheen onbekende combinaties van korstmossen. Ondertussen sneden zijn collega's de stenen dun voor beeldvorming. De foto's lieten zien hoe individuele schimmelhyfen zich diep in de rotsen hadden geboord en netwerken van vertakte kanalen hadden uitgehouwen.

Op het eerste gezicht lijkt de gruiskorst een routinematig voorbeeld van wat onderzoekers een biologische bodemkorst noemen, of "biocrust" - een gemeenschap van naast elkaar bestaande bacteriën, schimmels, algen en andere micro-organismen die de grond in samenhangende lagen afdekken. Ongeveer 12% van het aardoppervlak is bedekt met biocrusts. Ecologen verwijzen vaak naar deze kolonies als de 'levende huid' van de planeet.

In de afgelopen eeuw hebben wetenschappers biocrusts over de hele wereld geïdentificeerd en hebben ze gewerkt aan het begrijpen van hun rol bij het vormgeven van ecosystemen. Ze hebben geleerd dat de korsten bodemkorrels op hun plaats verankeren en de organismen die in die bodem groeien voorzien van essentiële voedingsstoffen zoals koolstof, stikstof en fosfor. In 2012, Büdel en zijn collega's geschat dat biokorsten ongeveer 7% van alle koolstof opnemen en recyclen en bijna de helft van alle stikstof die chemisch wordt "gefixeerd" door terrestrische vegetatie. De rol van de biokorsten bij het verkrijgen van verteerbare stikstof is met name van cruciaal belang in dorre woestijnen: elders kan bliksem stikstof uit de lucht vaak omzetten in nitraten, maar in de woestijnen zijn elektrische stormen zeldzaam.

De biocrust creëert "kleine oases van vruchtbaarheid", zei Jayne Belnap, een ecoloog bij de US Geological Survey die in 2001 heeft geholpen de term 'biocrust' te standaardiseren. 'Dat gebied zal ijslolly zijn voor de bodemorganismen. Het zijn suikerverslaafden, net als wij allemaal.”

Maar de microbiële gemeenschap in Pan de Azúcar is niet zomaar een biokorst. Terwijl traditionele biocrusts zich over de bovenste laag van fijne gronddeeltjes draperen en andere soorten organismen direct bovenop individuele rotsblokken ontkiemen, "het gruis zit er tussenin - het is een overgangszone", zei Liesbeth van den Brink, een ecologisch onderzoeker aan de Universiteit van Tübingen die nu net buiten Pan de Azúcar woont met Gutiérrez Alvarado. In gruiskorst zorgen de stenen voor de structuur, maar de microben koloniseren ze in een samenhangend vel - als een dunne laag hars die een rotstuin samenvoegt.

Omdat de organismen zo nauw verbonden zijn met het rotsachtige substraat, belichamen de gruiskorsten "de botsing van het abiotische met het biotische", zei Rómulo Oses, een bioloog aan de Universiteit van Atacama. "Op deze interface zie je veel antwoorden."

De gruiskorsten van Pan de Azúcar hebben wetenschappers daartoe gedwongen hun concept uitbreiden van wat biocrusts zijn, waar microben kunnen overleven en hoe microbiële gemeenschappen de omgeving om hen heen vormgeven. Ze openen de deur voor heroverwegingen van hoe de aarde en het leven samen evolueerden over tijdperken.

Nippen aan mist

Pan de Azúcar is verlaten, maar verre van levenloos. Grenzend aan de Stille Oceaan nabij zeeniveau, is het park veel gematigder dan de verhoogde hyper-aride kern van de Atacama. Toch valt er maximaal 12 millimeter regen per jaar en zijn de zonnestralingsniveaus vaak zinderend hoog.

Op weg naar de enige foodtruck van het park, waar Gutiérrez Alvarado, van den Brink en ik kunnen stoppen voor een lokale seafood empanada, maken we een omweg. Gutiérrez Alvarado stopt om een ​​van zijn apparaten voor weerbewaking te controleren, die is omsloten door prikkeldraad en met stenen in de woestijn is vastgemaakt. Daarnaast wijst hij op een ongeveer koeiengrote holte in de grond waar onlangs een guanaco, een wild familielid van de lama, een stofbad heeft genomen. Gutiérrez Alvarado en de andere rangers telden onlangs 83 guanaco's in het park.

“Hoe overleven ze hier?” van den Brink verwonderde zich. "Hoe overleeft iets hier?"

Het antwoord is de kenmerkende dikke mist die langs de Chileense kustlijn rolt, een weerfenomeen dat plaatselijk bekend staat als de camanchaca. Met zo weinig regenval is al het leven in Pan de Azúcar uiteindelijk afhankelijk van het vocht dat de mist meevoert. De guanaco, bijvoorbeeld, is afhankelijk van slokjes water die worden vastgehouden door mossen die zich vastklampen aan cactussen, die groeien in grond die is bevrucht met gruiskorst.

De mensen in het park zijn niet anders. Op een heuvelrug met uitzicht op de kust zitten vier gaaspanelen ter grootte van garagedeuren, die Gutiérrez Alvarado en de andere rangers hebben opgesteld als mistverzamelaars. Er condenseert elke dag genoeg water op om een ​​gootsteen in een van de weinige toiletten van het park te voorzien. De mist is zo dik dat Gutiérrez Alvarado er ooit bijna voor zorgde dat hij recht van een klif de oceaan in reed; alleen een klein bordje op de grond herinnerde hem eraan op het laatste moment linksaf te slaan.

Het meeste van dat water is echter buiten het bereik van de gritkorstorganismen. Het grootste deel van de dag worden de stenen zo heet dat er zich een grenslaag van gloeiend hete lucht over vormt, waardoor de microben het vocht niet kunnen opnemen. De micro-organismen hebben geleerd om de hitte van de dag af te wachten in een gedehydrateerde, slapende toestand. Maar 's nachts is er geen zonlicht dat ze kunnen gebruiken voor fotosynthese. De microben hebben dus hooguit een paar uur na zonsopgang om het water te drinken dat als mist of dauw is gecondenseerd.

Jung en collega's hebben getest hoe weinig water de microben nodig hebben om met fotosynthese te beginnen. De ideale portie was 0.25 millimeter water - lager dan de behoefte van enige andere bekende biocrust. Eenmaal bevochtigd, beginnen de microben sneller met fotosynthese dan welke gemeenschap dan ook die de onderzoekers ooit hebben gezien.

"Er is een manier voor deze organismen om lang te leven en te gedijen, ondanks het feit dat ze zich in een hyperdroog gebied bevinden", zei Belnap. Die vindingrijkheid vergroot het terrein dat biocrusts kunnen innemen enorm, verder dan wetenschappers hadden gedacht. Hoewel gruiskorst tot nu toe alleen in Pan de Azúcar is gevonden, vermoeden onderzoekers dat het ook in andere regio's van de Atacama en mogelijk in de woestijnen van zuidelijk Afrika kan groeien.

"De gruiskorst vormt een nieuwe drempel voor omstandigheden die leven mogelijk maken," zei Jung.

Maar net zoals de woestijn deze microben heeft geconditioneerd, vormen de microben letterlijk de woestijn. Vanwege alle organismen die de kleine rotsen koloniseren, wanneer de gritkorsten nat worden en de cellen zichzelf rehydrateren, neemt het volume van elke gritsteen met ongeveer 25% toe. Terwijl de woestijnmist in en uit rolt, zwellen en krimpen de gruisstenen. Deze regelmatige samentrekkingen, samen met de zuren die door de microben worden afgescheiden tijdens fotosynthese, hebben een "biologisch verwerings" -effect - het afbreken van stenen tot kiezelstenen en van kiezelstenen tot gruis.

Hoewel alle biocrusts een zekere mate van verwering ondergaan, zijn de grotere korrels van de gritkorst er bijzonder geschikt voor. Het proces onthult het volledige potentieel van microben om hun omgeving te beïnvloeden. Een microbiële huid kan kiezels aan elkaar lijmen, ze afbreken tot aarde en die grond bemesten met essentiële voedingsstoffen. In feite kan de korst de woestijn "terravormen".

De kracht van de microben werd volledig getoond na een ramp in 2015. Twee jaar voordat Jung voet zette in Pan de Azúcar, werd het gebied geteisterd door een zeldzame plotselinge overstroming. In slechts twee dagen tijd kreeg de regio vele jaren regen te verwerken. De resulterende overstromingen veroorzaakten ten minste 31 doden in naburige steden.

De woestijn barstte echter van het leven. In de loop van de volgende maanden gaf het vuil aanleiding tot een wonderbaarlijke weergave van wilde bloemen - een "desierto florido". Hoe de planten met zoveel enthousiasme ontwaakten uit een decennialange rust, heeft bodembiologen verbijsterd. Maar nogmaals, de sleutel kan in de korst zitten.

Fernando D. Alfaro, een microbiële ecoloog aan de Major University in Chili, test die hypothese door zijn eigen kleine overstromingen in de woestijn te ontketenen. Hij giet liters flessenwater op percelen van een vierkante meter woestijngrond. De met biokorst bedekte percelen houden veel langer water vast, en sommige zijn erin geslaagd om in slechts enkele weken planten te laten ontkiemen.

"Jarenlang bereiden [biocrusts] het systeem en het substraat voor om zeer snel te reageren op deze invoer van regen," zei Alfaro. "Deze bloemenevenementen zijn afhankelijk van deze kleine gemeenschappen van microben."

Ook Jung is getuige geweest van de veerkracht van de microben. Op 11 locaties rond Pan de Azúcar selecteerde hij naburige zwarte en witte vlekken en mat hun biologische activiteit. Daarna verzamelde hij de bovenste laag gruis, steriliseerde het in een snelkookpan en legde het weer op de grond. Binnen een jaar werden de eens zwarte gebieden weer donker toen de micro-organismen de steriele percelen begonnen te herkoloniseren - veel sneller dan normaal gebeurt met de korstmossen en andere microben in biocrusts. Uit teledetectiegegevens van het afgelopen decennium is gebleken dat 89% van het parkoppervlak bedekt is met het dambordpatroon. Binnen dat gekoloniseerde gebied is ongeveer een kwart van het zwart-witontwerp de afgelopen acht jaar verschoven - een verrassend snelle reactietijd voor de doorgaans trage microben.

Kleine veroveraars van het land

De gritkorst speelt een belangrijke rol in het lokale ecosysteem, maar daar houdt de wetenschappelijke allure niet op. Oud, stabiel en onaards, deze omgeving trekt ook de aandacht van astrobiologen.

Decennia lang hebben wetenschappers delen van de Atacama-woestijn gebruikt als aardse analogen voor Mars. De extreme straling, de zeldzame neerslag, het dorre landschap en de wilde temperatuurschommelingen maken de woestijn typisch buitenaards. (Gutiérrez Alvarado beweert echter dat het meest vreemde aan Pan de Azúcar zijn collega-parkwachters zijn - "het zijn beslist marsmannetjes", zei hij met een glimlach.)

Onderzoekers gebruiken Atacama-biocrusts om een ​​bibliotheek met chemische handtekeningen te bouwen die de zoektocht naar microbieel leven op Mars zou kunnen begeleiden. Maar de biocrust-organismen openen ook een venster op het leven op een iets minder vreemde planeet: de vroege aarde.

Fossiel bewijs suggereert dat microben ongeveer 3.5 miljard jaar geleden in de buurt van diepzee hydrothermale bronnen leefden. Wanneer en hoe het leven het land heeft veroverd, is echter minder duidelijk. Het terrein op de continenten was harder, scherper en veel onheilspellender dan het nu is.

"Je zou geen mooi ontwikkelde grond hebben gehad zoals nu", zegt Ariel Anbar, een geochemicus aan de Arizona State University. "Planten die ervan afhankelijk zijn dat er al vele generaties planten zijn geweest om een ​​gastvrije omgeving te creëren, zouden het moeilijk hebben gehad."

Voordat planten arriveerden, denken sommige onderzoekers, hadden korsten van microben kunnen helpen het land voor te bereiden door kale rotsen om te zetten in bemeste grond. Een biokorst die goed was aangepast aan extreme omstandigheden, kon een geschikt substraat vasthouden dat voedingsstoffen vasthield en regelmatig werd bevochtigd met mist. Door de rotsen geleidelijk te verweren en het sediment als bodem te stabiliseren, zou het de omgeving kunnen veranderen op een manier die de ontwikkeling van hogere organismen bevorderde.

"Deze biokorst van Pan de Azúcar vertegenwoordigt dit scenario," zei Alfaro. "Het is als een oergemeenschap om de ontwikkeling van bodems te vergroten en complexere gemeenschappen te maken."

De gruiskorstmicroben in de Atacama van vandaag zijn geen perfecte replica van degene die de vroege aarde mogelijk hebben voorbereid. Zo'n oude gemeenschap zou waarschijnlijk zijn afgestemd op een zuurstofarme omgeving en verstoken van korstmossen, waarvan wordt aangenomen dat ze pas in de afgelopen 250 miljoen jaar zijn geëvolueerd. Maar de onderzoekers zijn het erover eens dat moderne gritkorstgemeenschappen nog steeds kunnen dienen als waardevolle analogen voor wat eeuwen daarvoor was.

Het idee dat microben de bewoonbaarheid van de vroege aarde hadden kunnen stimuleren, is niet nieuw. In de jaren tachtig suggereerden de milieuwetenschappers David Schwartzman van Howard University en Tyler Volk van New York University dat de biologische verwering veroorzaakt door het vroege leven op het land, zou genoeg koolstofdioxide uit de atmosfeer kunnen hebben opgeslagen om het aardoppervlak af te koelen tot een bereik dat bewoonbaar is voor andere wezens. "We hebben bewijs van zeer intense verwering in de Archean," zei Schwartzman. "Vermoedelijk hebben biocrusts daar een rol in gespeeld."

Maar we hoeven niet te vertrouwen op aannames. In de afgelopen decennia is er indirect bewijs opgedoken voor microbiële gemeenschappen op het land tijdens de Archean. Gregory Retallack, een emeritus-professor aan de Universiteit van Oregon, gelooft dat hij al 3.7 miljard jaar geleden bewijs heeft gevonden voor gemeenschappen die lijken op biocrusts in versteende bodems (of "paleosols") - waarmee hij de algemene veronderstelling dat het leven in de zee is ontstaan, in twijfel trekt. "Het bewijs van paleosolen is vrij duidelijk dat er van alles op het land was, zelfs heel vroeg," zei hij. "Je kunt deze microbiële korststoffen gewoon met het blote oog zien."

Een team onder leiding van Christophe Thomazo, een geobioloog aan de Universiteit van Bourgondië, heeft bewijs gevonden dat sommige moderne biocrusts tijdens de Archean in de atmosfeer van de vroege aarde hadden kunnen overleven: hun microben hadden op efficiënte wijze gasvormig stikstof kunnen vastleggen in ammonium en nitraat, waardoor toegankelijke voedingsstoffen werden geleverd aan de opkomende mondiale ecosysteem. De onderzoekers merkten ook op dat een deel van het isotopische koolstof- en stikstofgehalte van sommige biocrusts in de woestijn vergelijkbaar is met dat van rotsen uit de Archean.

"Er zijn handtekeningen [in deze biocrusts] die compatibel zijn met archeïsche organische materie," zei Thomazo. Hij is er "vrij zeker van" dat de eerste terrestrische bewoners van de planeet zoiets waren als moderne biocrusts.

Veerkrachtig maar kwetsbaar

Tijdens het uitrijden van het park stopt Gutiérrez Alvarado de auto, stapt uit en draait zich om. De bandensporen van zijn auto hebben scherp door de dichte laag gruiskorst gesneden en een reeks microbiële lijken in hun kielzog achtergelaten. De korst is veerkrachtig, maar verre van onverwoestbaar, en zelfs menselijke voetafdrukken kunnen kleine stukjes ervan wegvagen. Dat is de reden waarom de National Park Service overal in het westen van de Verenigde Staten borden met 'Don't bust the crust' heeft geplaatst om wandelaars aan te sporen op de paden te blijven om de ademende grond te beschermen.

Gutiérrez Alvarado koestert de uitgestrektheid van gruiskorst. Als boswachter is het zijn missie om het landschap van het park en alles wat erin leeft te beschermen tegen nalatige bezoekers en invasieve mijnbouwoperaties, zei hij. In een onderzoek gepubliceerd in april dat hij samen met Jung en van den Brink schreef, drong hij er bij het management van het Chileense nationale park op aan om biocrusts te overwegen in hun natuurbeschermingsplannen.

"We moeten rechtvaardigen waarom we wegen of paden afsluiten, zodat niemand daarheen kan", zei Gutiérrez Alvarado. "We hebben geen wetten, dus het onderzoek is onze back-up."

Maar biocrusts worden geconfronteerd met een antropogene bedreiging die veel erger is dan voetafdrukken: klimaatverandering.

In 2018 publiceerden Belnap, Büdel en hun collega's een studie waarin ze schatten hoe verschillende biokorsten over de hele wereld zich zouden aanpassen aan klimaatverandering en intensivering van landgebruik. Hun modellen voorspelden dat tegen het einde van de eeuw de wereldwijde dekking van biocrusts met 25% of meer zou kunnen afnemen. Die reducties kunnen leiden tot minder gezonde bodems en ervoor zorgen dat los stof zich op sneeuwpakketten nestelt, meer warmte vasthoudt en de klimaatkwalen van de planeet verergert. "Dan zullen we echt de analogen met Mars gaan zien", zei van den Brink.

In dit model springen echter de biokorsten van Atacama eruit. Onder geavanceerde klimaatscenario's, wanneer de meeste andere korsten afsterven, lijkt het gruis te bloeien.

Terwijl de zon ondergaat, klimmen Gutiérrez Alvarado, van den Brink en ik een zandheuvel op voor een laatste glimp van de glooiende heuvels die worden opgeslokt door mist. Vanaf de top kan ik ook de ware uitgestrektheid van het gruisimperium bewonderen en zijn legioenen die stilletjes territorium tot aan de horizon opeisen. Ik kan het niet helpen dat ik eraan denk dat de rotsen de hele tijd misschien nog een geheim hebben bewaard: dat als dit soort microben als eerste arriveren, ze misschien ook de laatsten zullen zijn die verdwijnen.