I en häftig öken visar mikrob 'skorpor' hur livet tämjde landet | Quanta Magazine

År 2017 vandrade ett team av forskare från Tyskland till Chile för att undersöka hur levande organismer skulpterar jordens yta. En lokal ranger guidade dem genom Pan de Azúcar, en ungefär 150 kvadratkilometer stor nationalpark på Atacamaöknens södra kust, som ofta beskrivs som den torraste platsen på jorden. De befann sig i en platt, grusig ödemark avbruten av enstaka kullar, där håriga kaktusar nådde sina armar mot en himmel som aldrig regnade. Marken under deras fötter bildade ett rutbräde, med oregelbundna fläckar av mörka småstenar som satt mellan ljusare blekta som ben.

Inledningsvis intresserade inte de svarta fläckarna på ökenytan gruppledaren Burkhard Büdel, en veteranbiolog som hade tillbringat de senaste decennierna med att skrapa öknar på alla sju kontinenterna efter tecken på liv. Missfärgningar som dessa, känd som ökenlack, är allestädes närvarande och betecknar rutinmässigt avlagringar av mangan eller andra mineraler. Fortsätt röra på dig, instruerade han sina lagkamrater.

Men hans doktorand Patrick Jung kunde inte få ruttavlan ur huvudet. Efter att ha sett vad som såg ut som lavar på några av de mörka stenarna, misstänkte Jung att något mer kunde befolka dem. Så småningom tog han upp en sten, droppade lite vatten på den från en flaska och kikade på den genom sin handhållna förstoringslins. Ansiktet på den svarta stenen utbröt med grönt. Skräpet hade blivit levande.

Jung piskade en fotosyntesmonitor ur sin packning. Ett tryck på den fluorescerande blå sensorn bekräftade att något i klipporna omvandlade koldioxid till syre. Efter att Jungs kollegor, inklusive Büdel, replikerat experimentet, dansade de alla av spänning under ökensolen. Sedan la de sig på magen, med ögonen fästa på den mikrobiella mattan som lever i dammet. Runt dem upprepades de mörka fläckarna över landskapet, var och en fylld av sitt eget mikroskopiska universum.

Sedan 2019 har Jung lett ett projekt vid University of Applied Sciences i Kaiserslautern, Tyskland, dedikerat till studiet av ovanlig gemenskap av mikrober, nu känd som grusskorpa. Hans team har arbetat för att förstå de extrema anpassningarna som har gjort det möjligt för dessa mikroorganismer att befolka ett så ökänt fientligt land, där de bara uppfriskas då och då av dimmor. De svar de har avslöjat ger ledtrådar om hur livet först kan ha hittat ett grepp om vår planets yta för miljarder år sedan.

För två månader sedan guidade parkvakten som först förde de tyska forskarna till Pan de Azúcar mig till platsen för deras upptäckt. På knä i ett av schackbrädets svarta utrymmen, plockade José Luis Gutiérrez Alvarado upp en sten ungefär lika stor som en örhänge. Ur sin ficka hämtade han en förstoringsglas för juvelerare, en personlig minnessak inskriven med orden "Los secretos de las rocas." Han höll luppen över stenen i sin handflata så att jag också kunde lära mig dess hemligheter.

Upptäckten av grusskorpan förvandlade öknen för Gutiérrez Alvarado, som har patrullerat den varje dag under det senaste decenniet. "Det är inte bara stenar, inte bara tomt utrymme", sa han och kikade ut över stenarna. "Allt andas nu."

Planetens levande hud

Att köra genom Pan de Azúcar med Gutiérrez Alvarado är som att åka i en geologisk tidsmaskin. Gamla vulkaniska grottor från en epok bleknar till böljande kullar med eroderad sand från en annan, och bortom dem ligger en och annan gräsbevuxen stenbrott eller kaktuslund.

Mellan kullarna kikar en uthuggning av moderberggrunden, en hög kvarts kryddad med olika mineraler. Vid dess fötter ligger dess avkomma, mindre bitar som har brutit av under miljontals år. Nedanför dem sitter en parad av allt mindre stenar, ända ner till de örhängenstora kornen som först fängslade Jung. Småstenen, som skräpar ner ökengolvet, är lokalt kända som "maicillo" och på engelska som "grit". Substratet är rikligt poröst och erbjuder massor av sprickor och hörn för mikrober att nussla in i. Inkilad i springorna i varje bergsgrad finns små snår av grönt och svart liv.

Under 2017 års expedition samlade och torkade Jung prover av detta grus och skickade dem tillbaka till Tyskland. Sedan kastade han sig över att lära sig mer om mikroberna med sådan beslutsamhet att han avslutade sin doktorsexamen på bara två och ett halvt år, med över 10 publikationer att visa för det. Från DNA-prover drog han slutsatsen att grusskorpan består av flera hundra arter av cyanobakterier, grönalger och svampar - inklusive flera tidigare okända lavkombinationer. Under tiden skivade hans kollegor stenarna tunt för avbildning. Bilderna visade hur enskilda svamphyfer hade borrat sig djupt in i klipporna och huggit ut nätverk av förgrenade kanaler.

Vid första anblicken kan grusskorpan verka som ett rutinexempel på vad forskare kallar en biologisk jordskorpa, eller "biocrust" - en gemenskap av samexisterande bakterier, svampar, alger och andra mikroorganismer som täcker jorden i sammanhängande ark. Cirka 12 % av jordens land är täckt av bioskorpor. Ekologer hänvisar ofta till dessa kolonier som planetens "levande hud".

Under det senaste århundradet har forskare identifierat bioskorpor runt om i världen och arbetat för att förstå deras roll i att forma ekosystem. De har lärt sig att skorporna förankrar jordkorn på plats och förser organismerna som växer i den jorden med viktiga näringsämnen som kol, kväve och fosfor. 2012, Büdel och hans kollegor beräknad att bioskorpor suger upp och återvinner cirka 7 % av allt kol och nästan hälften av allt kväve som kemiskt ”fixeras” av markvegetation. Bioskorpornas roll för att skaffa smältbart kväve är särskilt kritisk i torra öknar: På andra håll kan blixtar ofta omvandla atmosfäriskt kväve till nitrater, men i öknarna är elektriska stormar sällsynta.

Bioskorpan skapar "små oaser av fertilitet", sa Jayne Belnap, en ekolog vid US Geological Survey som hjälpte till att standardisera termen "biocrust" 2001. "Det området kommer att bli [som] popsicles för jordorganismerna. De är sockerberoende precis som alla andra av oss.”

Men det mikrobiella samhället i Pan de Azúcar är inte vilken gammal bioskorpa som helst. Medan traditionella bioskorpor draperar sig över det översta lagret av fina jordpartiklar, och andra typer av organismer spirar direkt ovanpå enskilda stenblock, är "kornet däremellan - det är en övergångszon", säger Liesbeth van den Brink, en ekologiforskare vid universitetet i Tübingen som nu bor strax utanför Pan de Azúcar tillsammans med Gutiérrez Alvarado. I grusskorpa ger stenarna strukturen, men mikroberna koloniserar dem i ett sammanhängande ark - som ett tunt lager harts som fogar ihop en stenträdgård.

Eftersom organismerna är så intimt förknippade med det steniga substratet, förkroppsligar grusskorporna "kollisionen av det abiotiska med det biotiska", sa Rómulo Oses, en biolog vid University of Atacama. "I det här gränssnittet kommer du att se många svar."

Pan de Azúcars grusskorpa har tvingat forskare att göra det utvidga sin uppfattning av vad bioskorpor är, var mikrober kan överleva och hur mikrobiella samhällen formar miljön runt dem. De öppnar dörren för omprövningar av hur jorden och livet utvecklades tillsammans under epoker.

Smutta på dimma

Pan de Azúcar är öde, men det är långt ifrån livlöst. Parken gränsar till Stilla havet nära havsnivån och är mycket mer tempererad än Atacamas förhöjda hypertorra kärna. Ändå får det som mest 12 millimeter regn per år, och solstrålningsnivåerna är ofta blåsigt höga.

På väg till parkens enda food truck, där Gutiérrez Alvarado, van den Brink och jag kan stanna för en lokal skaldjurs-empanada, tar vi en omväg. Gutiérrez Alvarado stannar för att kolla på en av sina väderövervakningsanordningar, som är innesluten i taggtråd och fäst med stenar i öknen. Bredvid pekar han ut en ungefär kostor fördjupning i marken där en guanaco, en vild släkting till laman, nyligen tog ett dammbad. Gutiérrez Alvarado och de andra rangers räknade nyligen 83 guanacos som bodde i parken.

"Hur överlever de här?" van den Brink förundrades. "Hur överlever något här?"

Svaret är den distinkta tjocka dimman som rullar upp den chilenska kusten, ett väderfenomen som lokalt kallas camanchaca. Med så lite nederbörd beror allt liv i Pan de Azúcar i slutändan på vilken fukt dimman än bär. Guanacon, till exempel, förlitar sig på klunkar vatten som fångas av mossor som klamrar sig fast vid kaktusar, som växer i jord som befruktas av grusskorpa.

Människorna i parken är inte annorlunda. På en ås med utsikt över kusten sitter fyra nätpaneler lika stora som garageportar, som Gutiérrez Alvarado och de andra rangers satte upp som dimsamlare. Tillräckligt med vatten kondenserar på dem varje dag för att förse ett handfat vid en av parkens få toaletter. Dimman är så tjock att den en gång nästan fick Gutiérrez Alvarado att köra rakt av en klippa ut i havet; bara en liten skylt på marken påminde honom om att svänga vänster i sista stund.

Det mesta av det vattnet är dock utom räckhåll för grusskorpans organismer. Under en stor del av dagen blir stenarna så varma att ett gränsskikt av stekhet luft bildas över dem, vilket hindrar mikroberna från att suga upp fukten. Mikroorganismerna har lärt sig att vänta ut dagens hetta i uttorkat, vilande tillstånd. Men på natten finns det inget solljus för dem att använda för fotosyntes. Så mikroberna har som mest några timmar efter soluppgången på sig att dricka vattnet som kondenserats som dimma eller dagg.

Jung och kollegor testade hur lite vatten mikroberna behöver för att börja fotosyntetisera. Den idealiska serveringen var 0.25 millimeter vatten - lägre än kravet på någon annan känd bioskorpa. När de väl är dämpade börjar mikroberna fotosyntetisera snabbare än något samhälle som forskarna någonsin har sett.

"Det finns ett sätt för dessa organismer att leva länge och blomstra trots att de är i ett hypertorrt område," sa Belnap. Den påhittigheten utökar enormt den terräng som bioskorpor kan uppta utöver vad forskare hade trott. Även om grusskorpa hittills bara har hittats i Pan de Azúcar, misstänker forskare att den också kan växa i andra regioner i Atacama och möjligen i öknarna i södra Afrika.

"Grusskorpan sätter en ny tröskel för förhållanden som gör livet möjligt," sa Jung.

Men precis som öknen har betingat dessa mikrober, formar mikroberna bokstavligen öknen. På grund av alla organismer som koloniserar de små stenarna, när grusskorpan blir blöt och cellerna rehydrerar sig, ökar volymen av varje grussten med cirka 25%. När ökendimman rullar in och ut sväller grusstenarna och krymper. Dessa regelbundna sammandragningar, tillsammans med de syror som utsöndras av mikroberna under fotosyntesen, har en "biologisk vittringseffekt" - bryter ner stenar till småsten och från småsten till grus.

Medan alla bioskorpor har en viss grad av vittring, är de större kornen i grusskorpan särskilt lämpade för det. Processen avslöjar mikrobernas fulla potential att påverka sin miljö. En mikrobiell hud kan limma ihop småsten, bryta ner dem i jord och gödsla den jorden med viktiga näringsämnen. I själva verket kan skorpan "terraforma" öknen.

Mikrobernas kraft visade sig för fullt efter en katastrof 2015. Två år innan Jung satte sin fot i Pan de Azúcar, härjade en sällsynt översvämning området. På bara två dagar fick regionen många år av regn. De resulterande översvämningarna orsakade minst 31 dödsfall i närliggande städer.

Öknen sprack dock av liv. Under de följande månaderna gav smutsen upphov till en mirakulös uppvisning av vilda blommor - en "desierto florido". Hur växterna vaknade från en decennier lång vila med sådan entusiasm har förbryllat markbiologer. Men återigen, nyckeln kan finnas i skorpan.

Fernando D. Alfaro, en mikrobiell ekolog vid Major University i Chile, testar den hypotesen genom att släppa lös sina egna små översvämningar i öknen. Han häller ut liter vatten på flaska på kvadratmeter ökenjord. De tomter som är täckta av bioskorpa behåller vatten mycket längre, och några har lyckats gro växter på bara några veckor.

"Under många år förbereder [bioskorpor] systemet och substratet för att reagera mycket snabbt på denna inmatning av regn," sa Alfaro. "Dessa blomhändelser beror på dessa små samhällen av mikrober."

Även Jung har bevittnat mikrobernas motståndskraft. På 11 platser runt Pan de Azúcar valde han ut närliggande svarta och vita fläckar och mätte deras biologiska aktivitet. Sedan samlade han det översta lagret av grus, steriliserade det i en tryckkokare och placerade det tillbaka på marken. Inom ett år blev de en gång svarta områdena mörka igen när mikroorganismerna började återkolonisera de sterila tomterna - mycket snabbare än vad som vanligtvis sker med lavar och andra mikrober i bioskorpor. Fjärranalysdata som tagits under det senaste decenniet har visat att 89 % av parkens yta är täckt av rutmönster. Inom det koloniserade området har ungefär en fjärdedel av den svart-vita designen förändrats under de senaste åtta åren - en förvånansvärt snabb reaktionstid för de vanligtvis tröga mikroberna.

Små erövrare av landet

Grytskorpan spelar en viktig roll i det lokala ekosystemet, men dess vetenskapliga lockelse slutar inte där. Forntida, stabil och ojordisk, denna miljö drar också uppmärksamheten hos astrobiologer.

I decennier har forskare använt delar av Atacamaöknen som markbundna analoger för Mars. Den extrema strålningen, den sällsynta nederbörden, det karga landskapet och de vilda temperatursvängningarna gör öknen utpräglat överjordisk. (Gutiérrez Alvarado hävdar dock att det mest främmande med Pan de Azúcar är hans andra parkvakter - "definitivt är de marsbor", sa han och slog ett leende.)

Forskare använder Atacama-bioskorpor för att konstruera ett bibliotek av kemiska signaturer som kan vägleda sökandet efter mikrobiellt liv på Mars. Men bioskorpans organismer öppnar också ett fönster till liv på en lite mindre främmande planet: den tidiga jorden.

Fossila bevis antyder att mikrober levde nära hydrotermiska öppningar i djuphavet för omkring 3.5 miljarder år sedan. När och hur livet erövrade landet är dock mindre tydligt. Terrängen på kontinenterna var hårdare, vassare och mycket mer förbjudande än den är idag.

"Du skulle inte ha haft snyggt utvecklad jord som du har nu," sa Ariel Anbar, en geokemist vid Arizona State University. "Växter som är beroende av att det har funnits många generationer av växter tidigare för att skapa en miljö som är gästvänlig - de skulle ha haft det tufft."

Innan växterna kom, tror vissa forskare, kunde skorpor av mikrober ha hjälpt till att förbereda marken genom att omvandla nakna sten till gödslad jord. En bioskorpa väl anpassad till extrema förhållanden kunde ta tag i ett lämpligt substrat som innehöll näringsämnen och som regelbundet fuktades med dimma. Genom att gradvis vittra ut stenarna och stabilisera sedimentet som jord kunde det förändra miljön på ett sätt som främjade utvecklingen av högre organismer.

"Denna bioskorpa av Pan de Azúcar representerar detta scenario," sa Alfaro. "Det är som ett ursamhälle att öka utvecklingen av jordar och göra mer komplexa samhällen."

Gritskorpans mikrober i Atacama idag är inte en perfekt kopia av de som kan ha förberett den tidiga jorden. Ett sådant uråldrigt samhälle skulle troligen ha varit inställt på en syrebrist miljö och utan lavar, som tros ha utvecklats först under de senaste 250 miljoner åren. Men forskarna är överens om att moderna grusskorpasamhällen fortfarande kan fungera som värdefulla analoger för det som hände eoner innan.

Idén om att mikrober kunde ha förberett den tidiga jordens beboelighet är inte ny. På 1980-talet föreslog miljöforskarna David Schwartzman vid Howard University och Tyler Volk vid New York University att den biologiska vittringen orsakat av tidigt landliv kunde ha bindit tillräckligt med koldioxid från atmosfären för att kyla jordens yta till ett område som är beboeligt för andra varelser. "Vi har bevis på riktigt intensiv vittring i Archean," sa Schwartzman. "Förmodligen spelade bioskorpor en viss roll i det."

Men vi behöver inte förlita oss på antaganden. Under de senaste decennierna har indirekta bevis dykt upp för mikrobiella samhällen på land under Archean. Gregory Retallack, en emeritusprofessor vid University of Oregon, tror att han har hittat bevis för samhällen som liknar bioskorpor i fossila jordar (eller "paleosoler") så långt tillbaka som för 3.7 miljarder år sedan - vilket utmanar det vanliga antagandet att livet har sitt ursprung i havet. "Bevisen från paleosoler är ganska tydliga att det fanns alla möjliga saker på land, till och med väldigt tidigt," sa han. "Du kan se dessa mikrobiella skorptyger bara med blotta ögat."

Ett lag som leds av Christophe Thomazo, en geobiolog vid universitetet i Bourgogne, har hittat bevis för att vissa moderna bioskorpor kunde ha överlevt i atmosfären på den tidiga jorden under arkean: Deras mikrober kunde effektivt fixera gasformigt kväve till ammonium och nitrat, och leverera tillgängliga näringsämnen till det framväxande globala ekosystemet. Forskarna märkte också att en del av det isotopiska kol- och kväveinnehållet i vissa ökenbioskorpor är som bergarter från arkeiska havet.

"Det finns signaturer [i dessa bioskorpor] som är kompatibla med arkeiskt organiskt material," sa Thomazo. Han är "ganska säker på" att planetens första jordlevande invånare var något som liknar moderna bioskorpor.

Spänstig men bräcklig

Under körningen ut ur parken stannar Gutiérrez Alvarado bilen, kliver ut och vänder sig om. Hans bils däckspår har skärt sig skarpt genom den täta täckningen av grusskorpa, och lämnat en rad mikrobiella lik i deras kölvatten. Skorpan är motståndskraftig, men den är långt ifrån oförstörbar, och även mänskliga fotspår kan utplåna små bitar av den. Det är därför National Park Service har satt upp "Don't bust the crust"-skyltar över västra USA, som uppmanar vandrare att stanna på stigarna för att skydda den andande jorden.

Gutiérrez Alvarado uppskattar den vidsträckta grusskorpan. Som en ranger är hans uppdrag att skydda parkens landskap och allt som bor i den från försumliga besökare och invasiv gruvdrift, sa han. I en studie publicerades i april som han skrev tillsammans med Jung och van den Brink, uppmanade han den chilenska nationalparkens ledning att beakta bioskorpor i sina naturvårdsplaner.

"Vi måste motivera varför vi stänger vägar eller stänger vissa stigar så att ingen kan åka dit," sa Gutiérrez Alvarado. "Vi har inga lagar, så forskningen är vår backup."

Men bioskorpor står inför ett antropogent hot som är mycket värre än fotavtryck: klimatförändringar.

Under 2018 publicerade Belnap, Büdel och deras kollegor en studie som uppskattade hur olika bioskorpor runt om i världen skulle anpassa sig till klimatförändringar och intensifiering av markanvändningen. Deras modeller förutspådde att i slutet av århundradet kunde den globala täckningen av bioskorpor minska med 25 % eller mer. Dessa minskningar kan leda till mindre friska jordar och orsaka att löst damm lägger sig på snöpackningar, fånga upp mer värme och förvärra planetens klimatproblem. "Då kommer vi verkligen att börja se analogerna med Mars," sa van den Brink.

Atacama-bioskorporna sticker dock ut i denna modell. Under avancerade klimatscenarier, när de flesta andra skorpor dör, verkar gruset blomstra.

När solen går tillbaka klättrar Gutiérrez Alvarado, van den Brink och jag uppför en sandig kulle för en sista glimt av de böljande kullarna som slukas av dimma. Från toppen kan jag också beundra gritimperiets verkliga vidd och dess legioner som tyst gör anspråk på territorium ut till horisonten. Jag kan inte låta bli att tänka på hur stenarna hela tiden kan ha hållit en hemlighet till: att om mikrober som dessa var de första som anlände, kanske de också kommer att vara de sista att gå.