Într-un deșert feroce, „cruste” microbiene arată cum viața a îmblânzit pământul | Revista Quanta

În 2017, o echipă de oameni de știință din Germania a plecat în Chile pentru a investiga modul în care organismele vii sculptează fața Pământului. Un ranger local i-a ghidat prin Pan de Azúcar, un parc național de aproximativ 150 de mile pătrate de pe coasta de sud a deșertului Atacama, care este adesea descris ca fiind cel mai uscat loc de pe Pământ. S-au trezit într-un pustiu plat, pietriș, întrerupt de dealuri ocazionale, unde cactusi păroși își întindeau brațele spre un cer care nu ploua niciodată. Pământul de sub picioarele lor forma o tablă de șah, cu pete neregulate de pietricele întunecate așezate între altele mai deschise la fel de albite ca osul.

Inițial, petele negre care peteau suprafața deșertului nu l-au interesat pe liderul grupului Burkhard Büdel, un biolog veteran care a petrecut ultimele câteva decenii zgâriind deșerturile de pe toate cele șapte continente pentru semne de viață. Decolorările ca acestea, cunoscute sub numele de lac de deșert, sunt omniprezente și semnifică în mod obișnuit depozite de mangan sau alte minerale. Continuă să te miști, și-a instruit colegii de echipă.

Dar studentul său absolvent Patrick Jung nu putea să-și scoată șahul din cap. După ce a zărit ceea ce părea licheni pe unele dintre pietricelele întunecate, Jung bănui că ceva mai mult ar putea locui în ele. În cele din urmă, a ridicat o piatră, a picurat niște apă pe ea dintr-o sticlă și a privit-o prin lupa de mână. Fața pietrei negre a erupt cu verde. Dărâmăturile prinsese viață.

Jung scoase din rucsac un monitor de fotosinteză. O atingere a senzorului său albastru fluorescent a confirmat că ceva din roci transforma dioxidul de carbon în oxigen. După ce colegii lui Jung, inclusiv Büdel, au replicat experimentul, toți au dansat entuziasmați sub soarele deșertului. Apoi s-au întins pe burtă, cu ochii ațintiți pe covorul microbian care trăiește în praf. Peste tot în jurul lor, petele întunecate s-au repetat de-a lungul peisajului, fiecare umplută cu propriul univers microscopic.

Din 2019, Jung a condus un proiect la Universitatea de Științe Aplicate din Kaiserslautern, Germania, dedicat studiului comunitate neobișnuită de microbi, acum cunoscut sub numele de crusta de nisip. Echipa sa a lucrat pentru a înțelege adaptările extreme care au permis acestor microorganisme să locuiască pe un ținut atât de infam ostil, unde sunt împrospătați doar ocazional cu înghițituri de ceață. The răspunsurile pe care le-au descoperit oferă indicii despre modul în care viața s-ar fi putut găsi pentru prima dată pe suprafața planetei noastre cu miliarde de ani în urmă.

În urmă cu două luni, gardianul care i-a adus pentru prima dată pe oamenii de știință germani la Pan de Azúcar m-a ghidat la locul descoperirii lor. Îngenuncheat într-unul dintre spațiile negre ale tablei de șah, José Luis Gutiérrez Alvarado a ridicat o piatră de dimensiunea unui cercel. Din buzunar a scos o lupă de bijutier, un suvenir personal inscripționat cu cuvintele „Los secretos de las rocas”. A ținut lupa peste piatră în palmă, ca să pot afla și eu secretele ei.

Descoperirea crustei de nisip a transformat deșertul pentru Gutiérrez Alvarado, care l-a patrulat în fiecare zi în ultimul deceniu. „Nu sunt doar stânci, nu doar spațiu gol”, a spus el, uitându-se peste peticele de pietricele. „Totul respiră acum.”

Pielea vie a planetei

Conducerea prin Pan de Azúcar cu Gutiérrez Alvarado este ca și cum ați merge într-o mașină a timpului geologic. Peșterile vulcanice antice dintr-o epocă se estompează în dealuri ondulate de nisip erodat dintr-o altă epocă, iar dincolo de ele se află ocazional o carieră ierboasă sau un crâng de cactusi.

Între dealuri se așterne un afloriment al rocii mamă, o grămadă de cuarț condimentat cu diferite minerale. La picioarele sale se află descendenții săi, bucăți mai mici care s-au rupt de-a lungul a milioane de ani. Sub ele se află o paradă de roci din ce în ce mai mici, până la boabele de mărimea cerceilor care l-au captivat mai întâi pe Jung. Pietricelele, care împrăștie podeaua deșertului, sunt cunoscute local ca „maicillo” și în engleză ca „grit”. Substratul este amplu de poros, oferind o mulțime de crăpături și colțuri în care microbii să se găsească. Înfipte în crăpăturile fiecărui grad de rocă sunt mici desișuri de viață verde și neagră.

În timpul expediției din 2017, Jung a colectat și uscat mostre din acest nisip și le-a expediat înapoi în Germania. Apoi s-a aruncat să învețe mai multe despre microbi cu atâta hotărâre încât și-a terminat doctoratul în doar doi ani și jumătate, cu peste 10 publicații de arătat. Din probele de ADN, el a dedus că crusta de nisip este compusă din câteva sute de specii de cianobacterie, alge verzi și ciuperci – inclusiv mai multe combinații de licheni necunoscute anterior. Între timp, colegii săi au tăiat pietrele subțiri pentru imagini. Fotografiile au arătat cum hifele fungice individuale au forat adânc în roci, creând rețele de canale ramificate.

La prima vedere, crusta de nisip ar putea părea un exemplu de rutină a ceea ce cercetătorii numesc o crustă biologică de sol sau „biocrust” – o comunitate de bacterii, ciuperci, alge și alte microorganisme care coexistă care acoperă solul în foi coerente. Aproximativ 12% din pământul Pământului este acoperit de biocruste. Ecologiștii se referă adesea la aceste colonii drept „pielea vie” a planetei.

În ultimul secol, oamenii de știință au identificat biocruste de pe tot globul și au lucrat pentru a înțelege rolul lor în modelarea ecosistemelor. Ei au aflat că crustele ancorează boabele de sol în loc și oferă organismelor care cresc în acel sol nutrienți esențiali, cum ar fi carbonul, azotul și fosforul. În 2012, Büdel și colegii săi estimativ că biocrustele absorb și reciclează aproximativ 7% din tot carbonul și aproape jumătate din tot azotul care este „fixat” chimic de vegetația terestră. Rolul biocrustelor în procurarea azotului digerabil este deosebit de critic în deșerturile aride: în altă parte, fulgerele pot transforma adesea azotul atmosferic în nitrați, dar în deșerturi, furtunile electrice sunt rare.

Biocrusta creează „mici oaze de fertilitate”, a spus Jayne Belnap, un ecologist la US Geological Survey care a ajutat la standardizarea termenului „biocrust” în 2001. „Acea zonă va fi [ca] popsicles pentru organismele din sol. Sunt dependenți de zahăr la fel ca noi toți.”

Dar comunitatea microbiană din Pan de Azúcar nu este orice biocrust veche. În timp ce biocrustele tradiționale se acoperă peste stratul superior de particule fine de sol, iar alte tipuri de organisme răsar direct deasupra bolovanilor individuali, „nitrișul se află între ele – este o zonă de tranziție”, a spus. Liesbeth van den Brink, un cercetător în ecologie la Universitatea din Tübingen, care locuiește acum chiar lângă Pan de Azúcar cu Gutiérrez Alvarado. În crusta de nisip, pietrele oferă structura, dar microbii le colonizează într-o foaie coerentă - ca un strat subțire de rășină care chituie împreună o grădină de stânci.

Deoarece organismele sunt atât de strâns asociate cu substratul stâncos, crustele de nisip întruchipează „coliziunea dintre abiotic și biotic”, a spus. Rómulo Oses, biolog la Universitatea din Atacama. „La această interfață, veți vedea o mulțime de răspunsuri.”

Crustele de nisip din Pan de Azúcar i-au constrâns pe oamenii de știință extinde concepția lor despre ce sunt biocrustele, unde microbii pot supraviețui și modul în care comunitățile microbiene modelează mediul din jurul lor. Ele deschid ușa pentru reconsiderări ale modului în care Pământul și viața au coevoluat de-a lungul epocilor.

Sorbind din Ceață

Pan de Azúcar este pustiu, dar nu este departe de a fi lipsit de viață. Învecinat cu Oceanul Pacific aproape de nivelul mării, parcul este mult mai temperat decât miezul hiperarid ridicat al Atacama. Cu toate acestea, primește cel mult 12 milimetri de ploaie pe an, iar nivelurile de radiație solară sunt adesea uluitor de ridicate.

În drum spre singurul camion de mâncare al parcului, unde Gutiérrez Alvarado, van den Brink și cu mine ne putem opri pentru o empanada locală cu fructe de mare, facem un ocol. Gutiérrez Alvarado se oprește să verifice unul dintre dispozitivele sale de monitorizare a vremii, care este închis în sârmă ghimpată și fixat cu pietre în deșert. Alături de ea, el subliniază o depresiune de mărimea unei vaci în pământ în care un guanaco, o rudă sălbatică a lamei, a făcut recent o baie de praf. Gutiérrez Alvarado și ceilalți rangeri au numărat recent 83 de guanacos care trăiesc în parc.

„Cum supraviețuiesc ei aici?” se minună van den Brink. „Cum supraviețuiește ceva aici?”

Răspunsul este ceața deasă distinctivă care se rostogolește pe coasta chiliană, un fenomen meteorologic cunoscut local sub numele de camanchaca. Cu atât de puține precipitații, toată viața din Pan de Azúcar depinde în cele din urmă de umiditatea pe care o poartă ceața. Guanaco, de exemplu, se bazează pe înghițituri de apă care este prinsă de mușchii agățați de cactusi, care cresc în sol fertilizat cu crusta de nisip.

Oamenii din parc nu sunt altfel. Pe o creastă cu vedere la coastă se află patru panouri de plasă de mărimea ușilor de garaj, pe care Gutiérrez Alvarado și ceilalți rangeri le-au instalat ca colectoare de ceață. În fiecare zi se condensează suficientă apă pentru a furniza o chiuvetă la una dintre puținele toalete din parc. Ceața este atât de deasă încât aproape că l-a făcut cândva pe Gutiérrez Alvarado să conducă direct de pe o stâncă în ocean; doar un semn minuscul de pe pământ îi amintea să facă stânga în ultimul moment.

Cu toate acestea, cea mai mare parte din această apă nu este la îndemâna organismelor crustei. O mare parte a zilei, pietrele devin atât de fierbinți încât peste ele se formează un strat limită de aer fierbinte, împiedicând microbii să absoarbă umezeala. Microorganismele au învățat să aştepte căldura zilei într-o stare deshidratată, latente. Dar noaptea, nu există lumină solară pe care să o folosească pentru fotosinteză. Deci microbii au la dispoziție cel mult câteva ore după răsăritul soarelui să bea apa care s-a condensat sub formă de ceață sau rouă.

Jung și colegii au testat cât de puțină apă au nevoie microbii pentru a începe fotosinteza. Porția ideală a fost 0.25 milimetri de apă - mai mică decât cerințele oricărui alt biocrust cunoscut. Odată umeziți, microbii încep să fotosintezeze mai repede decât orice comunitate pe care cercetătorii au văzut-o vreodată.

„Există o modalitate prin care aceste organisme să trăiască mult și să prospere, în ciuda faptului că se află într-o zonă hiperaridă”, a spus Belnap. Această ingeniozitate extinde enorm terenul pe care biocrustele îl pot ocupa dincolo de ceea ce credeau oamenii de știință. Deși crusta de nisip a fost găsită până acum doar în Pan de Azúcar, cercetătorii bănuiesc că poate crește și în alte regiuni din Atacama și, posibil, în deșerturile din Africa de Sud.

„Coasta de nisip stabilește un nou prag pentru condițiile care fac viața posibilă”, a spus Jung.

Totuși, așa cum deșertul a condiționat acești microbi, microbii modelează literalmente deșertul. Din cauza tuturor organismelor care colonizează rocile minuscule, atunci când crustele de gresie se umezesc și celulele se rehidratează, volumul fiecărei pietre de gresie crește cu aproximativ 25%. Pe măsură ce ceața deșertului se rostogolește și iese, pietrele de nisip se umflă și se micșorează. Aceste contracții regulate, împreună cu acizii secretați de microbi în timpul fotosintezei, au un efect de „intemperii biologice” - descompunând rocile în pietricele și din pietricele la nisip.

În timp ce toate biocrustele efectuează un anumit grad de intemperii, boabele mai mari ale crustei de nisip sunt potrivite în special pentru aceasta. Procesul dezvăluie întregul potențial al microbilor de a avea un impact asupra mediului. O piele microbiană poate lipi pietricele, le poate descompune în sol și poate fertiliza acel sol cu ​​nutrienți esențiali. De fapt, crusta poate „terraforma” deșertul.

Puterea microbilor a fost expusă pe deplin după un dezastru din 2015. Cu doi ani înainte ca Jung să pună piciorul în Pan de Azúcar, o viitură rară a devastat zona. În doar două zile, regiunea a primit ploi de mulți ani. Inundațiile rezultate au provocat cel puțin 31 de morți în orașele învecinate.

Deșertul, însă, a izbucnit de viață. În lunile următoare, murdăria a dat naștere unui spectacol miraculos de flori sălbatice - un „desierto florido”. Modul în care plantele s-au trezit dintr-o odihnă de zeci de ani cu o asemenea poftă i-a uimit pe biologii solului. Dar din nou, cheia poate fi în crustă.

Fernando D. Alfaro, un ecologist microbian la Universitatea Major din Chile, testează această ipoteză declanșând propriile sale inundații minuscule în deșert. El turnă galoane de apă îmbuteliată pe loturi de metri pătrați de pământ deșert. Locurile care sunt acoperite cu biocrust rețin apa mult mai mult timp, iar unele au reușit să încolțească plante în doar câteva săptămâni.

„De mulți ani, [biocrustele] pregătesc sistemul și substratul pentru a răspunde foarte rapid la această intrare de ploi”, a spus Alfaro. „Aceste evenimente de flori depind de aceste comunități minuscule de microbi.”

Jung, de asemenea, a fost martor la rezistența microbilor. În 11 locuri din jurul Pan de Azúcar, el a selectat pete alb-negru vecine și a măsurat activitatea lor biologică. Apoi a colectat stratul superior de nisip, l-a sterilizat într-o oală sub presiune și l-a așezat înapoi pe pământ. În decurs de un an, zonele cândva negre au devenit din nou întunecate, deoarece microorganismele au început să recolonizeze parcelele sterile - mult mai repede decât se întâmplă de obicei cu lichenii și alți microbi din biocruste. Datele de teledetecție preluate în ultimul deceniu au arătat că 89% din suprafața parcului este acoperită în modelul de șah. În acea zonă colonizată, aproximativ un sfert din designul alb-negru s-a schimbat în ultimii opt ani - un timp de reacție surprinzător de rapid pentru microbii de obicei lent.

Minusculi Cuceritori ai Țării

Crusta de nisip joacă un rol important în ecosistemul local, dar alura sa științifică nu se oprește aici. Vechi, stabil și nepământesc, acest mediu atrage și atenția astrobiologilor.

Timp de zeci de ani, oamenii de știință au folosit secțiuni ale deșertului Atacama ca analogi terestre pentru Marte. Radiațiile extreme, precipitațiile rare, peisajul sterp și fluctuațiile sălbatice de temperatură fac deșertul deosebit de altul. (Gutiérrez Alvarado, totuși, susține că cel mai extraterestru lucru despre Pan de Azúcar sunt colegii săi gardieni de parc - „cu siguranță sunt marțieni”, a spus el, zâmbind.)

Cercetătorii folosesc biocruste Atacama pentru a construi o bibliotecă de semnături chimice care ar putea ghida căutarea vieții microbiene pe Marte. Dar organismele din biocrusta deschid și o fereastră către viață pe o planetă puțin mai puțin străină: Pământul timpuriu.

Dovezi fosile sugerează că microbii trăiau în apropierea gurilor hidrotermale de adâncime cu aproximativ 3.5 miliarde de ani în urmă. Când și cum viața a cucerit pământul, este însă mai puțin clar. Terenul de pe continente era mai greu, mai ascuțit și mult mai interzic decât este astăzi.

„Nu ai fi avut un sol bine dezvoltat ca acum”, a spus Ariel Anbar, geochimist la Universitatea de Stat din Arizona. „Plantele care depind de faptul că au existat multe generații de plante înainte pentru a crea un mediu primitor – ar fi avut o perioadă dificilă.”

Înainte de sosirea plantelor, cred unii cercetători, cruste de microbi ar fi putut ajuta la pregătirea pământului transformând roca goală în sol fertilizat. O crustă biologică bine adaptată la condiții extreme ar putea prelua un substrat adecvat care să țină nutrienți și să fie umezit în mod regulat cu ceață. Prin degradarea treptată a rocilor și stabilizarea sedimentelor sub formă de sol, acesta ar putea modifica mediul într-un mod care a promovat dezvoltarea organismelor superioare.

„Această crustă biologică a Pan de Azúcar reprezintă acest scenariu”, a spus Alfaro. „Este ca o comunitate primordială să crească dezvoltarea solurilor și să creeze comunități mai complexe.”

Microbii crustei de nisip din Atacama de astăzi nu sunt o replică perfectă a celor care ar fi putut pregăti Pământul timpuriu. O astfel de comunitate veche ar fi fost probabil adaptată pentru un mediu cu deficit de oxigen și lipsit de licheni, despre care se crede că au evoluat doar în ultimii 250 de milioane de ani. Dar cercetătorii sunt de acord că comunitățile moderne de crusta de nisip pot servi în continuare ca analogi valoroși pentru ceea ce a apărut ei înainte.

Ideea că microbii ar fi putut stimula locuibilitatea Pământului timpuriu nu este una nouă. În anii 1980, oamenii de știință de mediu David Schwartzman de la Universitatea Howard și Tyler Volk de la Universitatea din New York au sugerat că intemperii biologice cauzate de viața terestră timpurie ar fi putut sechestra suficient dioxid de carbon din atmosferă pentru a răci suprafața Pământului într-un interval locuibil pentru alte creaturi. „Avem dovezi ale unei intemperii cu adevărat intense în Archean”, a spus Schwartzman. „Se presupune că biocrustele au jucat un rol în asta.”

Dar nu trebuie să ne bazăm pe presupuneri. În ultimele decenii, au apărut dovezi indirecte pentru comunitățile microbiene de pe uscat în timpul Archeanului. Gregory Retallack, profesor emerit la Universitatea din Oregon, crede că a găsit dovezi pentru comunități asemănătoare cu biocruste din soluri fosilizate (sau „paleosoluri”) încă de acum 3.7 miliarde de ani – contestând ipoteza comună că viața își are originea în mare. „Dovezile de la paleosoluri sunt destul de clare că au existat tot felul de lucruri pe uscat, chiar și foarte devreme”, a spus el. „Puteți vedea aceste țesături de crustă microbiană doar cu ochiul liber.”

O echipă condusă de Christophe Thomazo, un geobiolog de la Universitatea din Burgundia, a găsit dovezi că unele biocruste moderne ar fi putut supraviețui în atmosfera Pământului timpuriu în timpul Archeanului: microbii lor ar fi putut fixa eficient azotul gazos în amoniu și nitrat, furnizând nutrienți accesibili lumii emergente. ecosistem. Cercetătorii au observat, de asemenea, că o parte din conținutul izotopic de carbon și azot al unor biocruste din deșert este ca cel al rocilor din Archean.

„Există semnături [în aceste biocruste] care sunt compatibile cu materia organică arheană”, a spus Thomazo. El este „destul de încrezător” că primii rezidenți terestre ai planetei au fost ceva asemănător cu biocruste moderne.

Rezistent dar fragil

În timpul ieșirii din parc, Gutiérrez Alvarado oprește mașina, coboară și se întoarce. Urmele de anvelope ale mașinii sale s-au tăiat brusc prin acoperirea densă a crustei de nisip, lăsând în urma lor o serie de cadavre microbiene. Crusta este rezistentă, dar este departe de a fi indestructibilă și chiar și urmele umane pot șterge bucăți mici din ea. De aceea, Serviciul Parcurilor Naționale a postat semne „Nu spargeți crusta” în vestul Statelor Unite, îndemnând drumeții să rămână pe cărări pentru a proteja solul care respira.

Gutiérrez Alvarado prețuiește întinderea crustei de nisip. În calitate de ranger, misiunea lui este să păstreze peisajul parcului și tot ceea ce îl populează în siguranță de vizitatorii neglijenți și operațiunile miniere invazive, a spus el. Într-un studiu publicat în aprilie pe care l-a scris împreună cu Jung și van den Brink, el a cerut managementului parcului național chilian să ia în considerare biocrustele în planurile lor de conservare a naturii.

„Trebuie să justificăm de ce închidem drumuri sau închidem unele trasee, astfel încât nimeni să nu poată merge acolo”, a spus Gutiérrez Alvarado. „Nu avem legi, așa că cercetarea este susținerea noastră.”

Dar biocrustele se confruntă cu o amenințare antropică mult mai rea decât amprentele: schimbările climatice.

În 2018, Belnap, Büdel și colegii lor au publicat un studiu care estimează modul în care diferitele biocruste din întreaga lume s-ar adapta la schimbările climatice și la intensificarea utilizării terenurilor. Modelele lor au prezis că până la sfârșitul secolului, acoperirea globală a biocrustelor ar putea scădea cu 25% sau mai mult. Aceste reduceri ar putea face soluri mai puțin sănătoase și ar putea cauza depunerea prafului slăbit pe straturile de zăpadă, captând mai multă căldură și agravând problemele climatice ale planetei. „Atunci vom începe cu adevărat să vedem analogii cu Marte”, a spus van den Brink.

Cu toate acestea, biocrustele Atacama ies în evidență în acest model. În scenariile climatice avansate, când majoritatea celorlalte cruste mor, nisipul pare să înflorească.

Pe măsură ce soarele se retrage, Gutiérrez Alvarado, van den Brink și cu mine urcăm pe o movilă nisipoasă pentru o ultimă privire a dealurilor înghițite de ceață. De sus, pot admira și adevărata întindere a imperiului grit și legiunile sale care revendică în liniște teritoriul până la orizont. Nu mă pot abține să nu mă gândesc cum de-a lungul timpului, rocile au mai păstrat un secret: că, dacă microbi ca aceștia au fost primii care au sosit, poate că vor fi și ultimii care vor pleca.