I en heftig ørken viser mikrobe 'skorper' hvordan livet temmet landet | Quanta Magazine

I 2017 dro et team av forskere fra Tyskland til Chile for å undersøke hvordan levende organismer former jordens overflate. En lokal ranger ledet dem gjennom Pan de Azúcar, en nasjonalpark på omtrent 150 kvadratkilometer på den sørlige kysten av Atacama-ørkenen, som ofte beskrives som det tørreste stedet på jorden. De befant seg i en flat, grusete ødemark avbrutt av sporadiske åser, der hårete kaktuser nådde armene mot en himmel som aldri regnet. Bakken under føttene deres dannet et sjakkbrett, med uregelmessige flekker av mørke småstein som satt mellom lysere bleket som bein.

Til å begynne med interesserte ikke de svarte flekkene som flekket ørkenoverflaten gruppelederen Burkhard Büdel, en veteranbiolog som hadde brukt de siste tiårene på å skrape ørkener på alle syv kontinenter etter tegn på liv. Misfarginger som disse, kjent som ørkenlakk, er allestedsnærværende og indikerer rutinemessig forekomster av mangan eller andre mineraler. Fortsett å bevege deg, instruerte han lagkameratene.

Men hans hovedfagsstudent Patrick Jung klarte ikke få sjakkbrettet ut av hodet. Etter å ha sett det som så ut som lav på noen av de mørke småsteinene, mistenkte Jung at noe mer kunne befolke dem. Til slutt plukket han opp en stein, driblet litt vann på den fra en flaske og kikket på den gjennom den håndholdte forstørrelseslinsen. Ansiktet til den svarte steinen brøt ut med grønt. Ruinene var blitt levende.

Jung pisket en fotosyntesemonitor ut av sekken. Ett trykk på den fluorescerende blå sensoren bekreftet at noe i bergartene konverterte karbondioksid til oksygen. Etter at Jungs kolleger, inkludert Büdel, replikerte eksperimentet, danset de alle med spenning under ørkensolen. Så la de seg på magen med øynene festet på det mikrobielle teppet som lever i støvet. Rundt dem gjentok de mørke flekkene seg over landskapet, hver og en fylt med sitt eget mikroskopiske univers.

Siden 2019 har Jung ledet et prosjekt ved University of Applied Sciences i Kaiserslautern, Tyskland, dedikert til studiet av et uvanlig samfunn av mikrober, nå kjent som grusskorpe. Teamet hans har jobbet for å forstå de ekstreme tilpasningene som har tillatt disse mikroorganismene å bo i et land som er så beryktet fiendtlig, hvor de bare av og til blir forfrisket av tåkeslukker. De svar de har avdekket gi ledetråder om hvordan livet først kan ha funnet et grep på planetens overflate for milliarder av år siden.

For to måneder siden ledet parkvokteren som først brakte de tyske forskerne til Pan de Azúcar meg til stedet de ble oppdaget. Jose Luis Gutiérrez Alvarado knelte i et av sjakkbrettets svarte felter og plukket opp en stein på størrelse med en ørepynt. Fra lommen hentet han en forstørrende juvelerlupe, et personlig minnesmerke påskrevet med ordene «Los secretos de las rocas». Han holdt lupen over steinen i håndflaten slik at jeg også kunne lære dens hemmeligheter.

Oppdagelsen av grusskorpen forvandlet ørkenen for Gutiérrez Alvarado, som har patruljert den hver dag det siste tiåret. "Det er ikke bare steiner, ikke bare tomrom," sa han og kikket ut over flekker med småstein. "Alt puster nå."

Planetens levende hud

Å kjøre gjennom Pan de Azúcar med Gutiérrez Alvarado er som å sykle i en geologisk tidsmaskin. Gamle vulkanske huler fra en epoke blekner til bølgende åser med erodert sand fra en annen, og bortenfor dem ligger en og annen gresskledd steinbrudd eller kaktuslund.

Mellom åsene ser et utspring av moderberggrunnen, en haug med kvarts krydret med forskjellige mineraler. Ved dens føtter ligger dens avkom, mindre biter som har brutt av over millioner av år. Under dem sitter en parade av stadig mindre steiner, helt ned til kornene på størrelse med øredobber som først fengslet Jung. Småsteinene, som forsøpler ørkengulvet, er lokalt kjent som «maicillo» og på engelsk som «grit». Underlaget er rikelig porøst, og tilbyr mange sprekker og hjørner for mikrober å nusse seg inn i. Innkilet i sprekkene på hver stein er bittesmå kratt av grønt og svart liv.

Under 2017-ekspedisjonen samlet og tørket Jung prøver av dette grynet og sendte dem tilbake til Tyskland. Så kastet han seg over å lære mer om mikrobene med en slik besluttsomhet at han fullførte doktorgraden på bare to og et halvt år, med over 10 publikasjoner å vise til. Fra DNA-prøver trakk han ut at grusskorpen er sammensatt av flere hundre arter av cyanobakterier, grønnalger og sopp - inkludert flere tidligere ukjente lavkombinasjoner. I mellomtiden kuttet kollegene steinene i tynne skiver for avbildning. Bildene viste hvordan individuelle sopphyfer hadde boret dypt inn i steinene, og skåret ut nettverk av forgrenede kanaler.

Ved første øyekast kan grusskorpen virke som et rutineeksempel på det forskerne kaller en biologisk jordskorpe, eller "bioskorpe" - et fellesskap av sameksisterende bakterier, sopp, alger og andre mikroorganismer som dekker jorda i sammenhengende ark. Rundt 12 % av jordens land er dekket av bioskorper. Økologer refererer ofte til disse koloniene som planetens «levende hud».

I løpet av det siste århundret har forskere identifisert bioskorper over hele kloden og arbeidet for å forstå deres rolle i utformingen av økosystemer. De har lært at skorpene forankrer jordkorn på plass og gir organismene som vokser i den jorda essensielle næringsstoffer som karbon, nitrogen og fosfor. I 2012, Büdel og hans kolleger anslått at bioskorper suger opp og resirkulerer rundt 7 % av alt karbonet og nesten halvparten av alt nitrogenet som er kjemisk «fiksert» av terrestrisk vegetasjon. Bioskorpenes rolle i å skaffe fordøyelig nitrogen er spesielt kritisk i tørre ørkener: Andre steder kan lyn ofte konvertere atmosfærisk nitrogen til nitrater, men i ørkenene er elektriske stormer sjeldne.

Bioskorpen skaper "små oaser av fruktbarhet," sa Jayne Belnap, en økolog ved US Geological Survey som bidro til å standardisere begrepet "bioskorpe" i 2001. "Det området kommer til å bli [som] ispinner for jordorganismene. De er sukkeravhengige akkurat som alle andre av oss.»

Men det mikrobielle samfunnet i Pan de Azúcar er ikke en hvilken som helst gammel bioskorpe. Mens tradisjonelle bioskorper draperer seg over det øverste laget av fine jordpartikler, og andre typer organismer spirer direkte på toppen av individuelle steinblokker, er "kornet i mellom - det er en overgangssone," sa Liesbeth van den Brink, en økologiforsker ved universitetet i Tübingen som nå bor like utenfor Pan de Azúcar sammen med Gutiérrez Alvarado. I grusskorpe gir steinene strukturen, men mikrobene koloniserer dem i et sammenhengende ark - som et tynt lag med harpiks som fuger sammen en steinhage.

Fordi organismene er så nært forbundet med det steinete underlaget, legemliggjør grusskorpene "kollisjonen mellom det abiotiske og det biotiske," sa Rómulo Oses, en biolog ved University of Atacama. "I dette grensesnittet vil du se mange svar."

Kornskorpene til Pan de Azúcar har tvunget forskere til utvide deres oppfatning av hva bioskorper er, hvor mikrober kan overleve, og hvordan mikrobielle samfunn former miljøet rundt dem. De åpner døren for revurderinger av hvordan jorden og livet utviklet seg sammen over epoker.

Nipper til tåke

Pan de Azúcar er øde, men det er langt fra livløst. Parken grenser til Stillehavet nær havnivå og er mye mer temperert enn Atacamas forhøyede hypertørre kjerne. Likevel får det på det meste 12 millimeter regn per år, og solstrålingsnivåene er ofte blemme høye.

På vei til parkens eneste matbil, hvor Gutiérrez Alvarado, van den Brink og jeg kan stoppe for en lokal sjømat-empanada, tar vi en omvei. Gutiérrez Alvarado stopper for å sjekke et av værovervåkingsapparatene hans, som er innelukket i piggtråd og festet ned med steiner i ørkenen. Ved siden av peker han ut en fordypning på omtrent kustørrelse i bakken der en guanaco, en vill slektning av lamaen, nylig tok et støvbad. Gutiérrez Alvarado og de andre rangerne telte nylig 83 guanacoer som bodde i parken.

"Hvordan overlever de her?" van den Brink undret seg. "Hvordan overlever noe her?"

Svaret er den karakteristiske tykke tåken som ruller oppover den chilenske kystlinjen, et værfenomen lokalt kjent som camanchaca. Med så lite nedbør er alt liv i Pan de Azúcar til syvende og sist avhengig av hvilken fuktighet tåken bærer med seg. Guanacoen, for eksempel, er avhengig av slurker med vann som er fanget av moser som klamrer seg til kaktusene, som vokser i jord gjødslet med grusskorpe.

Menneskene i parken er ikke annerledes. På en ås med utsikt over kysten sitter fire nettingpaneler på størrelse med garasjeporter, som Gutiérrez Alvarado og de andre rangerne satte opp som tåkeoppsamlere. Det kondenserer nok vann på dem hver dag til å forsyne en vask på et av parkens få toaletter. Tåken er så tykk at den en gang nesten fikk Gutiérrez Alvarado til å kjøre rett av en klippe ut i havet; bare et lite skilt på bakken minnet ham om å svinge til venstre i siste øyeblikk.

Det meste av vannet er imidlertid utenfor rekkevidde for grusskorpeorganismene. Store deler av dagen blir steinene så varme at det dannes et grenselag med brennende varm luft over dem, som hindrer mikrobene i å suge opp fuktigheten. Mikroorganismene har lært seg å vente ut dagens hete i en dehydrert, sovende tilstand. Men om natten er det ikke noe sollys for dem å bruke til fotosyntese. Så mikrobene har på det meste noen timer etter soloppgang til å drikke vannet som har kondensert som tåke eller dugg.

Jung og kolleger testet hvor lite vann mikrobene trenger for å begynne å fotosyntese. Den ideelle serveringen var 0.25 millimeter vann - lavere enn kravet til noen annen kjent bioskorpe. Når de er dempet, begynner mikrobene å fotosyntese raskere enn noe samfunn forskerne noen gang har sett.

"Det er en måte for disse organismene å leve lenge og blomstre til tross for at de er i et hypertørt område," sa Belnap. Den oppfinnsomheten utvider terrenget som bioskorper kan okkupere enormt utover det forskerne hadde trodd. Selv om grusskorpe så langt bare er funnet i Pan de Azúcar, mistenker forskere at den også kan vokse i andre regioner i Atacama og muligens i ørkenene i det sørlige Afrika.

"Grynskorpen setter en ny terskel for forhold som gjør livet mulig," sa Jung.

Likevel, akkurat som ørkenen har betinget disse mikrobene, former mikrobene bokstavelig talt ørkenen. På grunn av alle organismene som koloniserer de bittesmå steinene, når grusskorpene blir våte og cellene rehydrerer seg, øker volumet til hver grusstein med rundt 25 %. Når ørkentåken ruller inn og ut, sveller og krymper grussteinene. Disse regelmessige sammentrekningene, sammen med syrene som skilles ut av mikrobene under fotosyntesen, har en "biologisk forvitringseffekt" - bryter steiner ned til småstein, og fra småstein til grus.

Mens alle bioskorper utfører en viss grad av forvitring, er de større kornene i grusskorpen spesielt egnet for det. Prosessen avslører det fulle potensialet til mikrober til å påvirke miljøet. En mikrobiell hud kan lime sammen småstein, bryte dem ned til jord og gjødsle den med essensielle næringsstoffer. Faktisk kan skorpen "terraformere" ørkenen.

Kraften til mikrobene var på full visning etter en katastrofe i 2015. To år før Jung satte sin fot i Pan de Azúcar, herjet en sjelden flom i området. På bare to dager fikk regionen mange år med regn. De resulterende flommene forårsaket minst 31 dødsfall i nabobyene.

Ørkenen sprakk imidlertid av liv. I løpet av de påfølgende månedene ga skitten opphav til en mirakuløs fremvisning av markblomster – en «desierto florido». Hvordan plantene våknet fra en tiår lang hvile med en slik glede, har forvirret jordbiologer. Men igjen, nøkkelen kan være i skorpen.

Fernando D. Alfaro, en mikrobiell økolog ved Major University i Chile, tester denne hypotesen ved å slippe løs sine egne små flom i ørkenen. Han heller liter vann på flasker på kvadratmeter med ørkenjord. Tomtene som er dekket av bioskorpe holder på vann mye lenger, og noen har klart å spire planter på bare noen få uker.

"I mange år forbereder [bioskorper] systemet og underlaget for å reagere veldig raskt på denne tilførselen av regn," sa Alfaro. "Disse blomsterbegivenhetene avhenger av disse bittesmå samfunnene av mikrober."

Jung har også vært vitne til mikrobenes motstandskraft. På 11 steder rundt Pan de Azúcar valgte han nærliggende svarte og hvite flekker og målte deres biologiske aktivitet. Så samlet han det øverste laget av gryn, steriliserte det i en trykkoker og la det tilbake på bakken. I løpet av et år ble de en gang svarte områdene mørke igjen da mikroorganismene begynte å rekolonisere de sterile tomtene - langt raskere enn det som vanligvis skjer med lav og andre mikrober i bioskorper. Fjernmålingsdata tatt i løpet av det siste tiåret har vist at 89 % av parkens overflate er dekket av sjakkbrettmønsteret. Innenfor det koloniserte området har omtrent en fjerdedel av svart-hvitt-designet endret seg i løpet av de siste åtte årene - en overraskende rask reaksjonstid for de vanligvis trege mikrobene.

Små erobrere av landet

Kornskorpen spiller en viktig rolle i det lokale økosystemet, men dens vitenskapelige lokke stopper ikke der. Gamle, stabile og overjordiske, dette miljøet trekker også oppmerksomheten til astrobiologer.

I flere tiår har forskere brukt deler av Atacama-ørkenen som terrestriske analoger for Mars. Den ekstreme strålingen, sjeldne nedbøren, det karrige landskapet og ville temperatursvingninger gjør ørkenen utpreget overjordisk. (Gutiérrez Alvarado hevder imidlertid at det mest fremmede med Pan de Azúcar er hans andre parkvoktere - "definitivt er de marsboere," sa han og smilte.)

Forskere bruker Atacama-bioskorper til å konstruere et bibliotek med kjemiske signaturer som kan lede søket etter mikrobielt liv på Mars. Men bioskorpeorganismene åpner også et vindu til liv på en litt mindre fremmed planet: den tidlige jorden.

Fossile bevis antyder at mikrober levde nær dyphavs hydrotermiske ventiler for rundt 3.5 milliarder år siden. Når og hvordan livet erobret landet, er imidlertid mindre klart. Terrenget på kontinentene var hardere, skarpere og langt mer forbudt enn det er i dag.

"Du ville ikke hatt pent utviklet jord som du har nå," sa Ariel Anbar, en geokjemiker ved Arizona State University. "Planter som er avhengige av at det har vært mange generasjoner med planter før for å skape et miljø som er gjestfritt - de ville ha hatt en tøff tid."

Før plantene kom, tror noen forskere, kunne skorper av mikrober ha bidratt til å forberede landet ved å forvandle naken stein til gjødslet jord. En bioskorpe godt tilpasset ekstreme forhold kunne ta tak i et egnet substrat som holdt på næringsstoffer og som regelmessig ble fuktet med tåke. Ved å gradvis forvitre bergartene og stabilisere sedimentet som jord, kunne det endre miljøet på en måte som fremmet utviklingen av høyere organismer.

"Denne bioskorpen til Pan de Azúcar representerer dette scenariet," sa Alfaro. "Det er som et ursamfunn å øke utviklingen av jordsmonn og lage mer komplekse samfunn."

Kornskorpemikrobene i Atacama i dag er ikke en perfekt kopi av de som kan ha forberedt den tidlige jorden. Et slikt eldgammelt samfunn ville sannsynligvis vært innstilt for et oksygenfattig miljø og blottet for lav, som antas å ha utviklet seg bare de siste 250 millioner årene. Men forskerne er enige om at moderne grusskorpesamfunn fortsatt kan tjene som verdifulle analoger for det som kom evigheter før.

Ideen om at mikrober kunne ha grunnlagt beboeligheten til den tidlige jorden er ikke ny. På 1980-tallet foreslo miljøforskerne David Schwartzman ved Howard University og Tyler Volk ved New York University at den biologiske forvitringen forårsaket av tidlig landliv kunne ha sekvestrert nok karbondioksid fra atmosfæren til å kjøle ned jordoverflaten til et område som er beboelig for andre skapninger. "Vi har bevis på virkelig intens forvitring i arkean," sa Schwartzman. "Antagelig spilte bioskorper en rolle i det."

Men vi trenger ikke stole på forutsetninger. I løpet av de siste tiårene har indirekte bevis dukket opp for mikrobielle samfunn på land under arkean. Gregory Retallack, en emeritusprofessor ved University of Oregon, mener han har funnet bevis for samfunn som ligner bioskorper i fossilisert jord (eller "paleosoler") så langt tilbake som for 3.7 milliarder år siden - og utfordrer den vanlige antagelsen om at livet oppsto i havet. "Beviset fra paleosoler er ganske klart at det var alle slags ting på land, til og med veldig tidlig," sa han. "Du kan se disse mikrobielle skorpestoffene bare med det blotte øye."

Et lag ledet av Christophe Thomazo, en geobiolog ved University of Burgundy, har funnet bevis på at noen moderne bioskorper kunne ha overlevd i atmosfæren til den tidlige jorden under arkeisk tid: Mikrobene deres kunne effektivt ha fiksert gassformig nitrogen til ammonium og nitrat, og levert tilgjengelige næringsstoffer til de fremvoksende globale økosystem. Forskerne la også merke til at noe av det isotopiske karbon- og nitrogeninnholdet i noen ørkenbioskorper er som i bergarter fra arkeisk hav.

"Det er signaturer [i disse bioskorpene] som er kompatible med arkeisk organisk materiale," sa Thomazo. Han er "ganske sikker" på at planetens første landboende var noe som ligner moderne bioskorper.

Spenstig, men skjør

Under kjøreturen ut av parken stopper Gutiérrez Alvarado bilen, går ut og snur. Bilens dekkspor har skåret skarpt gjennom den tette dekningen av grusskorpe, og etterlot en rekke mikrobielle lik i kjølvannet. Skorpen er spenstig, men den er langt fra uforgjengelig, og selv menneskelige fotspor kan tørke ut små biter av den. Det er derfor National Park Service har hengt ut «Don't bust the crust»-skilt over hele det vestlige USA, og oppfordrer turgåere til å holde seg på stiene for å beskytte den pustende jorda.

Gutiérrez Alvarado setter pris på vidden av grusskorpen. Som en ranger er hans oppgave å holde parkens landskap og alt som bor i den trygt fra uaktsomme besøkende og invasive gruveoperasjoner, sa han. I en studie publisert i april som han var medforfatter av Jung og van den Brink, oppfordret han den chilenske nasjonalparkledelsen til å vurdere bioskorper i sine naturvernplaner.

"Vi må rettferdiggjøre hvorfor vi stenger veier eller stenger noen stier slik at ingen kan gå dit," sa Gutiérrez Alvarado. "Vi har ikke lover, så forskningen er vår backup."

Men bioskorper står overfor en antropogen trussel som er mye verre enn fotavtrykk: klimaendringer.

I 2018 publiserte Belnap, Büdel og deres kolleger en studie som estimerte hvordan forskjellige bioskorper rundt om i verden ville tilpasse seg klimaendringer og intensivering av arealbruk. Modellene deres spådde at ved slutten av århundret kunne den globale dekningen av bioskorper reduseres med 25 % eller mer. Disse reduksjonene kan gi mindre sunn jord og føre til at løst støv legger seg på snøpakker, fanger mer varme og forverrer planetens klimaproblemer. "Da vil vi virkelig begynne å se analogene med Mars," sa van den Brink.

Atacama-bioskorpene skiller seg imidlertid ut i denne modellen. Under avanserte klimascenarier, når de fleste andre skorper dør av, ser det ut til at gruset blomstrer.

Mens solen går tilbake, klatrer Gutiérrez Alvarado, van den Brink og jeg opp en sandhaug for et siste glimt av de bølgende åsene som blir slukt av tåke. Fra toppen kan jeg også beundre den sanne vidden av grit-imperiet og dets legioner som stille krav på territorium ut til horisonten. Jeg kan ikke la være å tenke på hvordan steinene hele tiden kan ha holdt en hemmelighet til: at hvis mikrober som disse var de første som ankom, vil de kanskje også være de siste som går.