V hudi puščavi "skorja" mikrobov prikazuje, kako je življenje ukrotilo deželo | Revija Quanta

Leta 2017 je skupina znanstvenikov iz Nemčije odpotovala v Čile, da bi raziskala, kako živi organizmi oblikujejo obraz Zemlje. Lokalni čuvaj jih je vodil skozi Pan de Azúcar, približno 150 kvadratnih kilometrov velik nacionalni park na južni obali puščave Atacama, ki je pogosto opisan kot najbolj suh kraj na Zemlji. Znašla sta se na ravni, prodnati puščavi, ki jo prekinjajo občasni hribi, kjer so dlakavi kaktusi segali svoje roke proti nebu, kjer nikoli ni deževalo. Tla pod njihovimi nogami so tvorila šahovnico z nepravilnimi zaplatami temnih kamenčkov med svetlejšimi kamenčki, pobeljenimi kot kost.

Sprva črne lise na površini puščave vodje skupine niso zanimale Burkhard Büdel, veteran biolog, ki je zadnjih nekaj desetletij preiskoval znake življenja po puščavah na vseh sedmih celinah. Razbarvanja, kot so ta, znana kot puščavski lak, so vseprisotna in običajno pomenijo nahajališča mangana ali drugih mineralov. Kar naprej, je ukazal soigralcem.

Toda njegov podiplomski študent Patrick Jung šahovnice ni mogel izbiti iz glave. Ko je na nekaterih temnih kamenčkih opazil nekaj, kar je bilo videti kot lišaji, je Jung posumil, da bi jih lahko naselilo nekaj več. Sčasoma je vzel kamen, nanj pokapljal nekaj vode iz plastenke in vanj pokukal skozi svojo ročno povečevalno lečo. Lice črnega kamna je izbruhnilo z zeleno. Ruševine so oživele.

Jung je iz torbe vzel monitor za fotosintezo. En dotik njegovega fluorescenčno modrega senzorja je potrdil, da nekaj v skalah pretvarja ogljikov dioksid v kisik. Ko so Jungovi kolegi, vključno z Büdelom, ponovili eksperiment, so vsi od navdušenja plesali pod puščavskim soncem. Nato so se ulegli na trebuh, z očmi uprtimi v mikrobno preprogo, ki živi v prahu. Vse okoli njih so se temne lise ponavljale po pokrajini, vsaka pa je bila polna svojega mikroskopskega vesolja.

Jung od leta 2019 vodi projekt na Univerzi uporabnih znanosti v Kaiserslauternu v Nemčiji, posvečen preučevanju nenavadna skupnost mikrobov, zdaj znana kot peskasta skorja. Njegova ekipa si je prizadevala razumeti ekstremne prilagoditve, ki so tem mikroorganizmom omogočile, da naselijo tako neslavno sovražno deželo, kjer jih le občasno osvežijo požirki megle. The odgovore, ki so jih odkrili ponujajo namige o tem, kako se je življenje morda prvič uveljavilo na površini našega planeta pred milijardami let.

Pred dvema mesecema me je čuvaj parka, ki je prvi pripeljal nemške znanstvenike v Pan de Azúcar, vodil do mesta njihovega odkritja. José Luis Gutiérrez Alvarado je klečal v enem od črnih prostorov šahovnice in vzel kamen v velikosti čepa za uhane. Iz žepa je vzel povečevalno draguljarno lupo, osebni spominek z napisom "Los secretos de las rocas." Lupo je držal nad kamnom v dlani, da sem tudi jaz izvedel njene skrivnosti.

Odkritje peščene skorje je preoblikovalo puščavo za Gutiérreza Alvarada, ki jo zadnje desetletje vsak dan patruljira. »Ni samo kamenje, ne samo prazen prostor,« je rekel in se zazrl čez zaplate kamenčkov. "Zdaj vse diha."

Živa koža planeta

Vožnja skozi Pan de Azúcar z Gutiérrezom Alvaradom je kot vožnja v geološkem časovnem stroju. Starodavne vulkanske jame iz ene dobe iz druge dobe zbledijo v valovite hribe erodiranega peska, za njimi pa je občasno travnat kamnolom ali nasad kaktusov.

Med hribi kuka izsek matične kamnine, kup kremena, začinjenega z različnimi minerali. Ob njegovih nogah ležijo njegovi potomci, manjši kosi, ki so se odlomili v milijonih let. Pod njimi sedi parada postopoma manjših kamnov, vse do zrn v velikosti uhanov, ki so najprej očarala Junga. Prodniki, s katerimi je posejana puščavska tla, so lokalno znani kot »maicillo«, v angleščini pa kot »grit«. Substrat je močno porozen in ponuja veliko razpok in vogalov, v katere se mikrobi lahko vrinejo. V razpoke vsake skale so zagozdene drobne goščave zelenega in črnega življenja.

Med ekspedicijo leta 2017 je Jung zbral in posušil vzorce tega peska ter jih poslal nazaj v Nemčijo. Nato se je tako odločno lotil učenja o mikrobih, da je doktoriral v samo dveh letih in pol, pri čemer je imel več kot 10 publikacij. Iz vzorcev DNK je sklepal, da je peskasta skorja sestavljena iz več sto vrst cianobakterij, zelenih alg in gliv - vključno z več prej neznanimi kombinacijami lišajev. Medtem so njegovi kolegi narezali kamne na tanke rezine za slikanje. Fotografije so pokazale, kako so se posamezne glivične hife vrtale globoko v kamnine in izrezale mreže razvejanih kanalov.

Na prvi pogled se lahko zdi, da je peščena skorja rutinski primer tega, kar raziskovalci imenujejo biološka skorja tal ali "bioskorja" - skupnost soobstoječih bakterij, gliv, alg in drugih mikroorganizmov, ki prekrivajo zemljo v koherentnih ploščah. Približno 12 % kopnega na Zemlji je prekrite z bioskorjo. Ekologi te kolonije pogosto imenujejo »živa koža« planeta.

V zadnjem stoletju so znanstveniki identificirali bioskorje po vsem svetu in si prizadevali razumeti njihovo vlogo pri oblikovanju ekosistemov. Izvedeli so, da skorje zasidrajo zrna zemlje na svoje mesto in organizmom, ki rastejo v tej zemlji, zagotavljajo bistvena hranila, kot so ogljik, dušik in fosfor. Leta 2012 so Büdel in njegovi sodelavci ocenjeni da bioskorja vpije in reciklira približno 7 % vsega ogljika in skoraj polovico vsega dušika, ki ga kemično "fiksira" kopenska vegetacija. Vloga bioskorja pri pridobivanju prebavljivega dušika je še posebej kritična v sušnih puščavah: drugje lahko strele pogosto pretvorijo atmosferski dušik v nitrate, v puščavah pa so električne nevihte redke.

Rečeno je, da bioskorja ustvarja "majhne oaze plodnosti". Jayne Belnap, ekolog pri Geološkem zavodu ZDA, ki je leta 2001 pomagal standardizirati izraz »bioskorja«. »To območje bo [kot] sladoled za talne organizme. So odvisniki od sladkorja, tako kot vsi ostali."

Toda skupnost mikrobov v Pan de Azúcarju ni samo stara bioskorja. Medtem ko se tradicionalne bioskorje prekrivajo nad zgornjo plastjo drobnih delcev prsti, druge vrste organizmov pa vzklijejo neposredno na vrh posameznih balvanov, je "pesek vmes - to je prehodno območje," je dejal Liesbeth van den Brink, raziskovalec ekologije na Univerzi v Tübingenu, ki zdaj živi tik ob kraju Pan de Azúcar z Gutiérrezom Alvaradom. V peščeni skorji strukturo zagotavljajo kamni, vendar jih mikrobi naselijo v koherentno plast – kot tanka plast smole, ki fugira skalnjak.

Ker so organizmi tako tesno povezani s kamnitim substratom, peščene skorje utelešajo "trk abiotičnega z biotičnim", je dejal Rómulo Oses, biolog na Univerzi v Atacami. "Na tem vmesniku boste videli veliko odgovorov."

Peščena skorja Pan de Azúcar je znanstvenike prisilila k razširijo svoje pojmovanje o tem, kaj so bioskorje, kje mikrobi lahko preživijo in kako mikrobne skupnosti oblikujejo okolje okoli sebe. Odpirajo vrata ponovnemu premisleku o tem, kako sta se Zemlja in življenje soevoluirala skozi epohe.

Srkanje megle

Pan de Azúcar je opustošen, a še zdaleč ni brez življenja. Park meji na Tihi ocean blizu morske gladine in je veliko bolj zmeren kot dvignjeno hipersušno jedro Atacame. Kljub temu pade največ 12 milimetrov dežja na leto, raven sončnega sevanja pa je pogosto neverjetno visoka.

Na poti do edinega tovornjaka s hrano v parku, kjer se lahko Gutiérrez Alvarado, van den Brink in jaz ustavimo za lokalno morsko empanado, zavijemo. Gutiérrez Alvarado se ustavi, da preveri eno od svojih naprav za spremljanje vremena, ki je v puščavi obdana z bodečo žico in pritrjena s skalami. Zraven pokaže vdolbino v tleh v velikosti približno krave, kjer se je pred kratkim okopal gvanako, divji sorodnik lame. Gutiérrez Alvarado in drugi redarji so nedavno prešteli 83 gvanakov, ki živijo v parku.

"Kako preživijo tukaj?" se je čudil van den Brink. "Kako sploh kaj preživi tukaj?"

Odgovor je značilna gosta megla, ki se vije po čilski obali, vremenski pojav, ki je lokalno znan kot camanchaca. Ker je padavin tako malo, je vse življenje v Pan de Azúcarju na koncu odvisno od vlage, ki jo prenaša megla. Gvanako se na primer zanaša na požirke vode, ki jo ujamejo mahovi, oprijeti kaktusov, ki rastejo v zemlji, pognojeni s pesko skorjo.

Ljudje v parku niso nič drugačni. Na grebenu, ki gleda na obalo, stojijo štiri mrežaste plošče v velikosti garažnih vrat, ki so jih Gutiérrez Alvarado in drugi redarji postavili kot zbiralnike megle. Vsak dan se na njih kondenzira dovolj vode, da lahko oskrbi umivalnik v enem od redkih stranišč v parku. Megla je tako gosta, da je nekoč skoraj povzročila, da je Gutiérrez Alvarado zapeljal naravnost s pečine v ocean; le droben napis na tleh ga je opomnil, naj zadnji hip zavije levo.

Vendar pa je večina te vode nedosegljiva za organizme peščene skorje. Večji del dneva se kamni tako segrejejo, da se nad njimi oblikuje mejna plast vročega zraka, ki mikrobom preprečuje vpijanje vlage. Mikroorganizmi so se naučili čakati na dnevno vročino v dehidriranem stanju mirovanja. Toda ponoči ni sončne svetlobe, ki bi jo lahko uporabili za fotosintezo. Tako imajo mikrobi največ nekaj ur po sončnem vzhodu, da pijejo vodo, ki se je zgostila kot megla ali rosa.

Jung in sodelavci so preizkusili, kako malo vode potrebujejo mikrobi, da začnejo fotosintetizirati. Idealna porcija je bila 0.25 milimetra vode – manj kot zahteva katera koli druga znana bioskorja. Ko so enkrat navlaženi, začnejo mikrobi fotosintetizirati hitreje kot katera koli skupnost, ki so jo raziskovalci kdaj videli.

"Obstaja način, da ti organizmi živijo dolgo in uspevajo kljub dejstvu, da so na zelo sušnem območju," je dejal Belnap. Ta iznajdljivost močno razširi teren, ki ga lahko zasedejo bioskorje, več kot so mislili znanstveniki. Čeprav so peskasto skorjo doslej našli le v Pan de Azúcarju, raziskovalci sumijo, da lahko raste tudi v drugih regijah Atacame in morda v puščavah južne Afrike.

"Piskasta skorja postavlja nov prag za razmere, ki omogočajo življenje," je dejal Jung.

Toda tako kot je puščava pogojevala te mikrobe, mikrobi dobesedno oblikujejo puščavo. Zaradi vseh organizmov, ki kolonizirajo drobne kamne, se prostornina vsakega peska poveča za približno 25 %, ko se skorje peska zmočijo in se celice rehidrirajo. Ko se puščavska megla vali noter in ven, pesek nabrekne in se skrči. Te redne kontrakcije, skupaj s kislinami, ki jih izločajo mikrobi med fotosintezo, imajo učinek "biološkega preperevanja" - lomljenje kamnov do kamenčkov in od kamenčkov do peska.

Medtem ko vse bioskorje izvajajo določeno stopnjo vremenskih vplivov, so večja zrna zrnate skorje še posebej primerna za to. Postopek razkrije celoten potencial mikrobov, da vplivajo na svoje okolje. Mikrobna koža lahko zlepi kamenčke, jih razgradi v prst in to zemljo pognoji z bistvenimi hranili. Dejansko lahko skorja "teraformira" puščavo.

Moč mikrobov se je v celoti pokazala po katastrofi leta 2015. Dve leti preden je Jung stopil v Pan de Azúcar, je območje opustošila redka nenadna poplava. V samo dveh dneh je regija prejela dolgoletno količino dežja. Posledične poplave so v sosednjih mestih povzročile najmanj 31 smrtnih žrtev.

Puščava pa je prekipevala od življenja. V naslednjih mesecih je umazanija povzročila čudežno razstavo divjih rož – »desierto florido«. Kako so se rastline s takšnim žarom prebudile iz desetletja dolgega počitka, je zmedlo talne biologe. Toda spet je lahko ključ v skorji.

Fernando D. Alfaro, mikrobni ekolog na Univerzi Major v Čilu, preizkuša to hipotezo tako, da v puščavo sproži lastne drobne poplave. Na kvadratne metre puščavske zemlje zlije galone ustekleničene vode. Površine, prekrite z bioskorjo, zadržujejo vodo veliko dlje, na nekaterih pa so rastline pognale že v nekaj tednih.

"Bioskorja že vrsto let pripravlja sistem in substrat, da se zelo hitro odzoveta na ta vnos dežja," je dejal Alfaro. "Ti cvetlični dogodki so odvisni od teh majhnih skupnosti mikrobov."

Tudi Jung je bil priča odpornosti mikrobov. Na 11 mestih okrog Pan de Azúcarja je izbral sosednje črno-bele lise in izmeril njihovo biološko aktivnost. Nato je pobral zgornjo plast peska, ga steriliziral v loncu na pritisk in položil nazaj na tla. V enem letu so nekoč črna območja spet postala temna, saj so mikroorganizmi začeli ponovno naseljevati sterilne površine - veliko hitreje, kot se običajno zgodi z lišaji in drugimi mikrobi v bioskorji. Podatki daljinskega zaznavanja, pridobljeni v zadnjem desetletju, so pokazali, da je 89 % površine parka pokritega v vzorcu šahovnice. Znotraj tega koloniziranega območja se je v zadnjih osmih letih spremenila približno četrtina črno-belega dizajna - presenetljivo hiter odzivni čas za običajno počasne mikrobe.

Majhni osvajalci dežele

Peščena skorja igra pomembno vlogo v lokalnem ekosistemu, vendar se njena znanstvena privlačnost ne ustavi pri tem. Starodavno, stabilno in nezemeljsko okolje pritegne pozornost tudi astrobiologov.

Znanstveniki že desetletja uporabljajo dele puščave Atacama kot zemeljski analogi za Mars. Zaradi ekstremnega sevanja, redkih padavin, nerodovitne pokrajine in divjih temperaturnih nihanj je puščava izrazito nezemeljska. (Gutiérrez Alvarado pa trdi, da so najbolj tuja stvar pri Panu de Azúcarju njegovi kolegi čuvaji parka – »definitivno so Marsovci,« je rekel in se nasmehnil.)

Raziskovalci uporabljajo bioskorje Atacame za izdelavo knjižnice kemičnih podpisov, ki bi lahko vodila iskanje mikrobnega življenja na Marsu. Toda organizmi bioskorje odpirajo tudi okno v življenje na nekoliko manj tujem planetu: zgodnji Zemlji.

Fosilni dokazi kaže, da so mikrobi živeli v bližini globokomorskih hidrotermalnih vrelcev pred približno 3.5 milijarde let. Kdaj in kako je življenje osvojilo deželo, pa je manj jasno. Teren na celinah je bil trši, ostrejši in veliko bolj nevaren kot danes.

"Ne bi imeli lepo razvite prsti, kot jo imate zdaj," je dejal Ariel Anbar, geokemik na univerzi Arizona State. "Rastline, ki so odvisne od številnih generacij rastlin, da bi ustvarile gostoljubno okolje - imele bi težke čase."

Nekateri raziskovalci menijo, da bi pred prihodom rastlin lahko skorja mikrobov pomagala pripraviti zemljo tako, da bi golo skalo spremenila v pognojeno prst. Bioskorja, ki je dobro prilagojena ekstremnim razmeram, bi se lahko prijela na primeren substrat, ki vsebuje hranila in je bil redno vlažen z meglo. S postopnim preperevanjem kamnin in stabilizacijo sedimenta kot tal bi lahko spremenil okolje na način, ki bi spodbujal razvoj višjih organizmov.

"Ta bioskorja Pan de Azúcar predstavlja ta scenarij," je dejal Alfaro. "Je kot prvotna skupnost, ki povečuje razvoj tal in ustvarja bolj zapletene skupnosti."

Mikrobi peščene skorje v Atacami danes niso popolna replika tistih, ki so morda pripravili zgodnjo Zemljo. Tako starodavna skupnost bi bila verjetno prilagojena okolju s pomanjkanjem kisika in brez lišajev, ki naj bi se razvili šele v zadnjih 250 milijonih let. Toda raziskovalci se strinjajo, da lahko sodobne skupnosti peščene skorje še vedno služijo kot dragoceni analogi tistega, kar je prišlo pred eoni.

Ideja, da bi mikrobi lahko spodbudili bivanje zgodnje Zemlje, ni nova. V osemdesetih letih sta okoljska znanstvenika David Schwartzman z Univerze Howard in Tyler Volk z Univerze v New Yorku predlagala, da biološko preperevanje ki jih je povzročilo zgodnje kopensko življenje, bi lahko iz ozračja izločilo dovolj ogljikovega dioksida, da bi ohladilo zemeljsko površje na območje, primerno za bivanje drugih bitij. "Imamo dokaze o res intenzivnem preperevanju v Arheju," je dejal Schwartzman. "Bioskorja je verjetno igrala določeno vlogo pri tem."

Vendar se nam ni treba zanašati na predpostavke. V zadnjih nekaj desetletjih so se pojavili posredni dokazi o mikrobnih skupnostih na kopnem v arhejskem obdobju. Gregory Retallack, zaslužni profesor na Univerzi v Oregonu, verjame, da je našel dokaze o skupnostih, ki spominjajo na bioskorje v fosiliziranih tleh (ali "paleosolih") že pred 3.7 milijarde let - kar izpodbija splošno domnevo, da je življenje nastalo v morju. "Dokazi iz paleosolov so precej jasni, da so bile na kopnem vse vrste stvari, celo zelo zgodaj," je dejal. "Te tkanine mikrobne skorje lahko vidite samo s prostim očesom."

Ekipa, ki jo vodi Christophe Thomazo, geobiolog z Univerze v Burgundiji, je našel dokaze, da bi nekatere sodobne bioskorje lahko preživele v atmosferi zgodnje Zemlje v arhejskem obdobju: njihovi mikrobi bi lahko učinkovito fiksirali plinasti dušik v amonij in nitrat, s čimer bi dobavljali dostopna hranila nastajajočemu globalnemu ekosistem. Raziskovalci so tudi opazili, da je del vsebnosti izotopov ogljika in dušika v nekaterih puščavskih bioskorjah podoben tistemu v kamninah iz arheja.

"Obstajajo podpisi [v teh bioskorjah], ki so združljivi z arhejsko organsko snovjo," je dejal Thomazo. On je "precej prepričan", da so bili prvi zemeljski prebivalci planeta nekaj podobnega sodobnim bioskorjam.

Odporen, a krhek

Med vožnjo iz parka Gutiérrez Alvarado ustavi avto, izstopi in se obrne. Sledi pnevmatik njegovega avtomobila so ostro zarezali skozi gosto pokritost peščene skorje in za seboj pustili množico mikrobnih trupel. Skorja je prožna, vendar še zdaleč ni neuničljiva in celo človeški odtisi lahko izbrišejo njene majhne koščke. Zato je služba narodnih parkov po vsem zahodu Združenih držav objavila znake »Ne razbijajte skorje«, ki pohodnike pozivajo, naj ostanejo na poteh in tako zaščitijo dihajočo prst.

Gutiérrez Alvarado ceni prostranost peskaste skorje. Kot nadzornik je njegovo poslanstvo ohraniti pokrajino parka in vse, kar v njem živi, ​​varno pred malomarnimi obiskovalci in invazivnimi rudarskimi operacijami, je dejal. V študiji objavljeno aprila ki ga je napisal v soavtorstvu z Jungom in van den Brinkom, je vodstvo čilskega nacionalnega parka pozval, naj upošteva bioskorje v svojih načrtih za ohranjanje narave.

"Moramo upravičiti, zakaj zapiramo ceste ali zapiramo nekatere poti, da nihče ne more iti tja," je dejal Gutiérrez Alvarado. "Nimamo zakonov, zato je raziskava naša rezerva."

Toda bioskorja se sooča z antropogeno grožnjo, ki je veliko hujša od odtisov: podnebne spremembe.

Leta 2018 so Belnap, Büdel in njihovi sodelavci objavili študijo, v kateri so ocenili, kako bi se različne bioskorje po svetu prilagodile podnebnim spremembam in intenzifikaciji rabe zemljišč. Njihovi modeli so napovedali, da bi se lahko do konca stoletja globalna pokritost z bioskorjami zmanjšala za 25 % ali več. Ta zmanjšanja bi lahko privedla do manj zdravih tal in povzročila usedanje prahu na snežne odeje, kar bi zadržalo več toplote in poslabšalo podnebne težave planeta. "Takrat bomo resnično začeli videti analoge z Marsa," je dejal van den Brink.

Vendar pa bioskorja Atacama v tem modelu izstopa. V naprednih podnebnih scenarijih, ko večina drugih skorj odmre, se zdi, da pesek cveti.

Ko se sonce umika, se Gutiérrez Alvarado, van den Brink in jaz povzpnemo na peščeno gomilo, da še zadnjič pogledamo valovite hribe, ki jih pogoltne megla. Z vrha lahko občudujem tudi resnično prostranstvo imperija peska in njegovih legij, ki tiho osvajajo ozemlje do obzorja. Ne morem si pomagati, da ne bi pomislil, kako so skale ves čas morda skrivale še eno skrivnost: če so takšni mikrobi prispeli prvi, bodo morda tudi zadnji odšli.