ในทะเลทรายอันดุเดือด 'เปลือกโลก' ของจุลินทรีย์แสดงให้เห็นว่าชีวิตฝึกฝนผืนดินอย่างไร | นิตยสารควอนตั้ม

ในปี พ.ศ. 2017 ทีมนักวิทยาศาสตร์จากเยอรมนีเดินทางไปชิลีเพื่อตรวจสอบว่าสิ่งมีชีวิตปั้นหน้าโลกได้อย่างไร เจ้าหน้าที่ท้องถิ่นนำทางพวกเขาผ่าน Pan de Azúcar อุทยานแห่งชาติขนาดประมาณ 150 ตารางไมล์บนชายฝั่งทางตอนใต้ของทะเลทราย Atacama ซึ่งมักถูกอธิบายว่าเป็นสถานที่ที่วิเศษสุดในโลก พวกเขาพบว่าตัวเองอยู่ในที่ราบรกร้างที่เต็มไปด้วยลูกรังและถูกขัดจังหวะด้วยเนินเขาเป็นครั้งคราว ซึ่งกระบองเพชรขนดกชูแขนขึ้นสู่ท้องฟ้าที่ไม่เคยมีฝนตก พื้นใต้ฝ่าเท้าของพวกเขาก่อตัวเป็นกระดานหมากรุก โดยมีก้อนกรวดสีเข้มเรียงเป็นหย่อมๆ ระหว่างก้อนที่เบากว่าที่ฟอกขาวราวกับกระดูก

ในขั้นต้น แผ่นสีดำที่กระจายอยู่บนพื้นผิวทะเลทรายไม่ได้สนใจหัวหน้ากลุ่ม เบอร์ฮาร์ด บึเดลนักชีววิทยาผู้ช่ำชองซึ่งใช้เวลาหลายทศวรรษที่ผ่านมาในการขูดทะเลทรายในทั้ง XNUMX ทวีปเพื่อหาสัญญาณของการมีชีวิต การเปลี่ยนสีเช่นนี้เรียกว่าสารเคลือบเงาทะเลทรายมีอยู่ทั่วไปและบ่งชี้ถึงการสะสมของแมงกานีสหรือแร่ธาตุอื่นๆ เป็นประจำ เดินหน้าต่อไป เขาสั่งเพื่อนร่วมทีมของเขา

แต่เป็นนักศึกษาปริญญาโท แพทริก จุง ไม่สามารถเอากระดานหมากรุกออกจากหัวได้ เมื่อสังเกตเห็นสิ่งที่ดูเหมือนไลเคนบนก้อนกรวดสีดำบางก้อน จุงสงสัยว่าอาจมีบางอย่างที่มากกว่านั้นอยู่ในพวกมัน ในที่สุด เขาก็หยิบก้อนหินขึ้นมา หยดน้ำจากขวดลงบนก้อนหิน แล้วส่องดูมันผ่านเลนส์แว่นขยายที่ถืออยู่ หน้าหินดำปะทุสีเขียว ซากปรักหักพังมีชีวิตขึ้นมา

Jung ดึงจอภาพการสังเคราะห์แสงออกจากกระเป๋าของเขา การแตะเซ็นเซอร์เรืองแสงสีฟ้าเพียงครั้งเดียวยืนยันว่ามีบางอย่างภายในหินกำลังเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นออกซิเจน หลังจากเพื่อนร่วมงานของ Jung, Büdel ได้รวมเอาการทดลองนี้ไว้ พวกเขาก็เต้นด้วยความตื่นเต้นภายใต้แสงแดดกลางทะเลทราย จากนั้นพวกเขาก็นอนคว่ำหน้า ตาจับจ้องไปที่พรมจุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่ในฝุ่น รอบ ๆ ตัวพวกเขา เกิดรอยดำซ้ำ ๆ ทั่วภูมิประเทศ แต่ละแห่งเต็มไปด้วยเอกภพขนาดจิ๋วของมันเอง

ตั้งแต่ปี 2019 Jung ได้นำโครงการที่ University of Applied Sciences ในเมือง Kaiserslautern ประเทศเยอรมนี ซึ่งอุทิศให้กับการศึกษาเกี่ยวกับ ชุมชนจุลินทรีย์ที่ผิดปกติปัจจุบันเรียกว่าเปลือกกรวด ทีมงานของเขาทำงานเพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับการปรับตัวที่รุนแรงซึ่งทำให้จุลินทรีย์เหล่านี้สามารถอาศัยอยู่ในดินแดนที่อันตรายอย่างน่าอับอาย ซึ่งพวกมันจะสดชื่นเป็นครั้งคราวด้วยการจิบหมอก เดอะ คำตอบที่พวกเขาได้ค้นพบ เสนอเงื่อนงำว่าชีวิตอาจพบพื้นผิวโลกของเราเป็นครั้งแรกเมื่อหลายพันล้านปีก่อนได้อย่างไร

เมื่อสองเดือนก่อน เจ้าหน้าที่อุทยานที่นำนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันมาที่ Pan de Azúcar เป็นครั้งแรก ได้พาฉันไปยังสถานที่ค้นพบของพวกเขา José Luis Gutiérrez Alvarado นั่งคุกเข่าอยู่ในพื้นที่สีดำของกระดานหมากรุก หยิบหินขนาดเท่าตุ้มหูขึ้นมา จากกระเป๋าของเขา เขาได้หยิบแว่นขยายของร้านขายอัญมณี ซึ่งเป็นของที่ระลึกส่วนตัวที่มีคำว่า “Los secretos de las rocas” เขาถือแว่นขยายไว้เหนือหินในฝ่ามือเพื่อให้ฉันได้เรียนรู้ความลับของมันด้วย

การค้นพบเปลือกกรวดได้เปลี่ยนทะเลทรายสำหรับ Gutiérrez Alvarado ผู้ซึ่งลาดตระเวนทุกวันตลอดทศวรรษที่ผ่านมา “ไม่ใช่แค่ก้อนหิน ไม่ใช่แค่พื้นที่ว่างเปล่าเท่านั้น” เขาพูดพร้อมกับมองออกไปเหนือก้อนกรวดเป็นหย่อมๆ “ตอนนี้ทุกอย่างกำลังหายใจอยู่”

ผิวที่มีชีวิตของดาวเคราะห์

การขับรถผ่าน Pan de Azúcar กับ Gutiérrez Alvarado นั้นเหมือนกับการนั่งไทม์แมชชีนทางธรณีวิทยา ถ้ำภูเขาไฟโบราณจากยุคหนึ่งค่อยๆ จางหายไปเป็นเนินทรายที่ถูกกัดเซาะจากอีกถ้ำหนึ่ง และถัดออกไปเป็นเหมืองหญ้าหรือป่าต้นกระบองเพชรเป็นครั้งคราว

ระหว่างเนินเขาจะมองเห็นส่วนที่โผล่ออกมาของหินแม่ ซึ่งเป็นกองแร่ควอทซ์ที่ปรุงรสด้วยแร่ธาตุต่างๆ ที่เท้าของมันมีลูกหลานซึ่งเป็นชิ้นส่วนเล็กๆ ที่แตกสลายมาเป็นเวลาหลายล้านปี ด้านล่างพวกเขานั่งเป็นขบวนพาเหรดของก้อนหินที่เล็กลงเรื่อยๆ ลงไปจนถึงเม็ดขนาดเท่าต่างหูซึ่งทำให้ Jung หลงใหลในตอนแรก ก้อนกรวดที่เกลื่อนพื้นทะเลทรายเป็นที่รู้จักกันในท้องถิ่นว่า "ไมซิลโล" และในภาษาอังกฤษว่า "กรวด" พื้นผิวมีรูพรุนมาก ทำให้มีรอยแตกและมุมมากมายสำหรับจุลินทรีย์ที่จะกัดกิน แทรกตัวเข้าไปในซอกหินแต่ละชั้นเป็นพุ่มเล็กๆ ของสิ่งมีชีวิตสีเขียวและสีดำ

ระหว่างการสำรวจในปี 2017 Jung ได้รวบรวมและทำให้แห้งตัวอย่างของกรวดนี้ และส่งพวกมันกลับไปยังเยอรมนี จากนั้นเขาก็ทุ่มเทให้กับการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับจุลินทรีย์ด้วยความมุ่งมั่นจนเขาสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกในเวลาเพียง 10 ปีครึ่ง โดยมีสิ่งพิมพ์มากกว่า XNUMX ฉบับให้จัดแสดง จากตัวอย่างดีเอ็นเอ เขาอนุมานได้ว่าเปลือกกรวดประกอบด้วยไซยาโนแบคทีเรียหลายร้อยชนิด สาหร่ายสีเขียว และเชื้อรา รวมทั้งตะไคร่หลายชนิดที่ไม่รู้จักมาก่อน ในขณะเดียวกัน เพื่อนร่วมงานของเขาก็หั่นหินให้บางเพื่อถ่ายภาพ ภาพถ่ายแสดงให้เห็นว่าเส้นใยของเชื้อราแต่ละตัวเจาะลึกเข้าไปในหินได้อย่างไร แกะสลักเครือข่ายของคลองที่แตกแขนงออกไป

เมื่อมองแวบแรก เปลือกกรวดอาจดูเหมือนเป็นตัวอย่างประจำของสิ่งที่นักวิจัยเรียกว่าเปลือกดินชีวภาพ หรือ “ไบโอครัสต์” ซึ่งเป็นชุมชนของแบคทีเรีย เชื้อรา สาหร่าย และจุลินทรีย์อื่น ๆ ที่อยู่ร่วมกันซึ่งปกคลุมดินเป็นแผ่นเดียวกัน ประมาณ 12% ของแผ่นดินโลกถูกปกคลุมด้วยเปลือกโลก นักนิเวศวิทยามักเรียกโคโลนีเหล่านี้ว่าเป็น "ผิวหนังที่มีชีวิต" ของดาวเคราะห์

ในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ได้ระบุ biocrusts ทั่วโลกและทำงานเพื่อทำความเข้าใจบทบาทของพวกมันในการสร้างระบบนิเวศ พวกเขาได้เรียนรู้ว่าเปลือกโลกช่วยยึดเม็ดดินให้อยู่กับที่ และให้สารอาหารที่จำเป็นแก่สิ่งมีชีวิตที่เติบโตในดินนั้น เช่น คาร์บอน ไนโตรเจน และฟอสฟอรัส ในปี 2012 Büdel และเพื่อนร่วมงานของเขา ประมาณ biocrusts นั้นดูดซับและรีไซเคิลประมาณ 7% ของคาร์บอนทั้งหมดและเกือบครึ่งหนึ่งของไนโตรเจนทั้งหมดที่ถูก "ตรึง" ทางเคมีโดยพืชบนบก บทบาทของ biocrusts ในการจัดหาไนโตรเจนที่ย่อยได้นั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งในทะเลทรายที่แห้งแล้ง ที่อื่น ๆ ฟ้าผ่ามักจะเปลี่ยนไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศเป็นไนเตรต แต่ในทะเลทราย พายุไฟฟ้านั้นหายาก

เปลือกโลกสร้าง “โอเอซิสแห่งความอุดมสมบูรณ์” กล่าว เจย์น เบลแนปนักนิเวศวิทยาจากการสำรวจทางธรณีวิทยาของสหรัฐฯ ผู้ช่วยสร้างมาตรฐานของคำว่า "ไบโอครัสต์" ในปี 2001 "บริเวณนั้นจะกลายเป็นไอติมสำหรับสิ่งมีชีวิตในดิน พวกเขาติดน้ำตาลเหมือนพวกเราทุกคน”

แต่ชุมชนจุลินทรีย์ใน Pan de Azúcar ไม่ใช่แค่เปลือกชีวภาพแบบเก่า ในขณะที่ biocrusts แบบดั้งเดิมปกคลุมตัวเองเหนือชั้นบนสุดของอนุภาคดินละเอียด และสิ่งมีชีวิตประเภทอื่นๆ งอกขึ้นมาบนก้อนหินแต่ละก้อนโดยตรง “กรวดอยู่ระหว่างนั้น — มันเป็นเขตเปลี่ยนผ่าน” กล่าว ลีสเบธ ฟาน เดน บริงก์นักวิจัยด้านนิเวศวิทยาแห่งมหาวิทยาลัย Tübingen ซึ่งปัจจุบันอาศัยอยู่นอก Pan de Azúcar กับ Gutiérrez Alvarado ในเปลือกกรวดหินให้โครงสร้าง แต่จุลินทรีย์จะตั้งรกรากอยู่ในแผ่นที่ติดกัน - เหมือนกับชั้นเรซินบาง ๆ ที่ปูสวนหินเข้าด้วยกัน

เนื่อง​จาก​สิ่ง​มี​ชีวิต​มี​ความ​สัมพันธ์​อย่าง​แนบแน่น​กับ​พื้น​ฐาน​ที่​เป็น​หิน เปลือก​กรวด​จึง​รวม​ถึง โรมูโล โอเซสนักชีววิทยาแห่งมหาวิทยาลัย Atacama “ที่อินเทอร์เฟซนี้ คุณจะเห็นคำตอบมากมาย”

เปลือกกรวดของ Pan de Azúcar ได้บังคับให้นักวิทยาศาสตร์ ขยายความคิดของพวกเขา ไบโอครัสต์คืออะไร ที่ที่จุลินทรีย์สามารถอยู่รอดได้ และชุมชนจุลินทรีย์ก่อร่างสร้างสภาพแวดล้อมรอบตัวพวกมันอย่างไร พวกเขากำลังเปิดประตูสู่การพิจารณาใหม่ว่าโลกและชีวิตมีวิวัฒนาการร่วมกันอย่างไรในยุคต่างๆ

จิบหมอก.

Pan de Azúcar รกร้าง แต่ก็ห่างไกลจากชีวิตชีวา อุทยานแห่งนี้อยู่ติดกับมหาสมุทรแปซิฟิกใกล้กับระดับน้ำทะเล มีอากาศอบอุ่นกว่าแกนกลางที่แห้งแล้งสูงของ Atacama มาก ถึงกระนั้นก็ได้รับฝนสูงสุด 12 มิลลิเมตรต่อปี และระดับการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์มักจะสูงมาก

ระหว่างทางไปรถขายอาหารเพียงคันเดียวของอุทยาน ซึ่งกูตีเอร์เรซ อัลวาราโด, ฟาน เดน บริงก์ และฉันสามารถแวะซื้ออาหารทะเลท้องถิ่นได้ เราใช้ทางอ้อม Gutiérrez Alvarado หยุดเพื่อตรวจสอบอุปกรณ์ตรวจสอบสภาพอากาศเครื่องหนึ่งของเขา ซึ่งปิดล้อมด้วยลวดหนามและยึดด้วยหินในทะเลทราย ถัดจากนั้น เขาชี้ให้เห็นรอยบุ๋มขนาดประมาณวัวในพื้นดินที่กัวนาโค ซึ่งเป็นญาติตามธรรมชาติของลามะเพิ่งอาบฝุ่น Gutiérrez Alvarado และเจ้าหน้าที่ดูแลป่าคนอื่น ๆ เพิ่งนับ guanacos 83 ตัวที่อาศัยอยู่ในสวนสาธารณะ

“พวกเขาอยู่รอดที่นี่ได้อย่างไร” van den Brink ประหลาดใจ “ไม่มีอะไรจะอยู่รอดที่นี่ได้อย่างไร”

คำตอบคือหมอกหนาที่มีลักษณะเฉพาะที่ม้วนตัวขึ้นตามแนวชายฝั่งชิลี ซึ่งเป็นปรากฏการณ์สภาพอากาศที่เรียกกันในท้องถิ่นว่าคามันชากา ด้วยปริมาณน้ำฝนที่น้อยมาก ทุกชีวิตใน Pan de Azúcar จึงขึ้นอยู่กับความชื้นที่หมอกพัดพามา ตัวอย่างเช่น กวานาโคอาศัยการจิบน้ำที่ถูกตะไคร่น้ำจับตัวกับต้นกระบองเพชร ซึ่งเติบโตในดินที่ได้รับการปฏิสนธิจากเปลือกกรวด

มนุษย์ในสวนก็ไม่ต่างกัน บนชะง่อนผาที่มองเห็นชายฝั่งมีแผงตาข่ายสี่แผงขนาดเท่าประตูโรงรถ ซึ่งกูตีเอร์เรซ อัลวาราโดและเจ้าหน้าที่พิทักษ์ป่าคนอื่นๆ ตั้งไว้เป็นเครื่องเก็บหมอก น้ำกลั่นตัวเพียงพอทุกวันเพื่อจ่ายอ่างล้างจานที่หนึ่งในห้องน้ำไม่กี่แห่งของอุทยาน หมอกหนามากจนครั้งหนึ่งเกือบทำให้กูตีเอร์เรซ อัลวาราโดขับรถตรงออกจากหน้าผาไปในมหาสมุทร มีเพียงป้ายเล็ก ๆ บนพื้นเตือนให้เขาเลี้ยวซ้ายในวินาทีสุดท้าย

อย่างไรก็ตามน้ำส่วนใหญ่อยู่นอกเหนือการเข้าถึงของสิ่งมีชีวิตที่มีเปลือกกรวด ในช่วงเวลาส่วนใหญ่ของวัน ก้อนหินจะร้อนจัดจนมีชั้นขอบของอากาศร้อนอบอ้าวก่อตัวขึ้นเหนือหิน ป้องกันไม่ให้จุลินทรีย์ดูดซับความชื้น จุลินทรีย์ได้เรียนรู้ที่จะรอความร้อนของวันในสภาวะที่ขาดน้ำและอยู่เฉยๆ แต่ในเวลากลางคืนไม่มีแสงแดดให้พวกมันสังเคราะห์แสง ดังนั้นจุลินทรีย์จึงมีเวลาสูงสุดสองสามชั่วโมงหลังจากพระอาทิตย์ขึ้นเพื่อดื่มน้ำที่กลั่นตัวเป็นหมอกหรือน้ำค้าง

Jung และเพื่อนร่วมงานได้ทดสอบว่าจุลินทรีย์ต้องการน้ำเพียงเล็กน้อยในการเริ่มสังเคราะห์แสง การให้บริการในอุดมคติคือน้ำ 0.25 มิลลิเมตร ซึ่งต่ำกว่าความต้องการของไบโอครัสต์อื่นๆ ที่รู้จัก เมื่อชุบน้ำแล้ว จุลินทรีย์จะเริ่มสังเคราะห์แสงได้เร็วกว่าชุมชนใดๆ ที่นักวิจัยเคยเห็น

“มีหนทางที่สิ่งมีชีวิตเหล่านี้จะมีชีวิตยืนยาวและเจริญรุ่งเรือง แม้ว่าพวกมันจะอยู่ในพื้นที่ที่แห้งแล้งมากก็ตาม” เบลแนปกล่าว ความมีไหวพริบนั้นขยายพื้นที่อย่างมหาศาลซึ่ง biocrusts สามารถครอบครองได้เกินกว่าที่นักวิทยาศาสตร์คิดไว้ แม้ว่าตอนนี้จะพบเปลือกกรวดใน Pan de Azúcar เท่านั้น แต่นักวิจัยสงสัยว่ามันอาจเติบโตในภูมิภาคอื่น ๆ ของ Atacama และอาจเป็นไปได้ในทะเลทรายทางตอนใต้ของแอฟริกา

"เปลือกกรวดกำลังกำหนดเกณฑ์ใหม่สำหรับเงื่อนไขที่ทำให้ชีวิตเป็นไปได้" จุงกล่าว

เช่นเดียวกับที่ทะเลทรายทำให้จุลินทรีย์เหล่านี้มีสภาพ จุลินทรีย์เหล่านี้ก็สร้างรูปร่างให้กับทะเลทรายอย่างแท้จริง เนื่องจากสิ่งมีชีวิตทั้งหมดตั้งรกรากอยู่บนโขดหินเล็กๆ เมื่อเปลือกกรวดเปียกและเซลล์จะคืนน้ำในตัวเอง ปริมาตรของหินกรวดแต่ละก้อนจะเพิ่มขึ้นประมาณ 25% เมื่อหมอกทะเลทรายเคลื่อนตัวเข้าและออก หินกรวดจะพองตัวและหดตัว การหดตัวเป็นประจำเหล่านี้พร้อมกับกรดที่จุลินทรีย์หลั่งออกมาระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง มีผล "การผุกร่อนทางชีวภาพ" - ทำลายหินเป็นก้อนกรวด และจากก้อนกรวดเป็นกรวด

แม้ว่าไบโอครัสต์ทั้งหมดจะทนต่อสภาพดินฟ้าอากาศได้ในระดับหนึ่ง แต่เกรนเกรนที่ใหญ่กว่าของเกรนกรวดจะเหมาะสมเป็นพิเศษสำหรับมัน กระบวนการนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของจุลินทรีย์อย่างเต็มที่ในการส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ผิวของจุลินทรีย์สามารถเกาะก้อนกรวดเข้าด้วยกัน แตกตัวเป็นดิน และทำให้ดินมีสารอาหารที่จำเป็น ผลก็คือ เปลือกโลกสามารถ "สร้างพื้นผิว" ของทะเลทรายได้

พลังของจุลินทรีย์ได้แสดงให้เห็นอย่างเต็มที่หลังจากเกิดภัยพิบัติในปี 2015 สองปีก่อนที่ Jung จะก้าวเข้าสู่ Pan de Azúcar น้ำท่วมฉับพลันที่หายากได้ทำลายพื้นที่ ในเวลาเพียงสองวัน ภูมิภาคนี้ได้รับฝนเป็นเวลาหลายปี น้ำท่วมส่งผลให้มีผู้เสียชีวิตอย่างน้อย 31 รายในเมืองใกล้เคียง

อย่างไรก็ตาม ทะเลทรายเต็มไปด้วยชีวิตชีวา หลายเดือนต่อมา สิ่งสกปรกได้ก่อให้เกิดดอกไม้ป่าที่น่าอัศจรรย์ ซึ่งเรียกว่า "desierto florido" การที่พืชตื่นขึ้นจากการพักผ่อนนานหลายสิบปีด้วยความเอร็ดอร่อยเช่นนี้ทำให้นักชีววิทยาดินงุนงงได้อย่างไร แต่อีกครั้ง กุญแจอาจอยู่ในเปลือกโลก

เฟอร์นันโด ดี อัลฟาโรนักนิเวศวิทยาจุลินทรีย์แห่งมหาวิทยาลัยเมเจอร์ในชิลี ทดสอบสมมติฐานดังกล่าวโดยปล่อยน้ำท่วมเล็กๆ ของตัวเองบนทะเลทราย เขาเทน้ำบรรจุขวดแกลลอนลงบนพื้นที่ดินทะเลทรายขนาดตารางเมตร แปลงที่ปกคลุมด้วยเปลือกชีวภาพกักเก็บน้ำได้นานกว่ามาก และบางแปลงสามารถแตกหน่อได้ในเวลาเพียงไม่กี่สัปดาห์

“เป็นเวลาหลายปี [biocrusts] กำลังเตรียมระบบและวัสดุพิมพ์เพื่อตอบสนองต่อฝนที่ตกลงมาอย่างรวดเร็ว” Alfaro กล่าว "งานดอกไม้เหล่านี้ขึ้นอยู่กับชุมชนเล็ก ๆ ของจุลินทรีย์เหล่านี้"

จุงก็ได้เห็นความยืดหยุ่นของจุลินทรีย์เช่นกัน ที่ไซต์ 11 แห่งรอบ Pan de Azúcar เขาได้เลือกรอยด่างดำและขาวที่อยู่ใกล้เคียง และตรวจวัดฤทธิ์ทางชีวภาพของรอยเหล่านั้น จากนั้นเขาก็เก็บกรวดชั้นบนสุด ฆ่าเชื้อในหม้ออัดแรงดัน แล้ววางกลับลงบนพื้น ภายในเวลาหนึ่งปี พื้นที่ที่เคยเป็นสีดำก็กลับมามืดอีกครั้งเนื่องจากจุลินทรีย์เริ่มสร้างพื้นที่ใหม่ในพื้นที่ปลอดเชื้อ ซึ่งเร็วกว่าที่มักเกิดกับไลเคนและจุลินทรีย์อื่นๆ ในไบโอครัสต์ ข้อมูลการรับรู้จากระยะไกลในช่วงทศวรรษที่ผ่านมาแสดงให้เห็นว่า 89% ของพื้นผิวของอุทยานถูกปกคลุมด้วยลายตารางหมากรุก ภายในพื้นที่อาณานิคมนั้น ประมาณหนึ่งในสี่ของการออกแบบขาวดำเปลี่ยนไปในช่วงแปดปีที่ผ่านมา ซึ่งเป็นเวลาตอบสนองที่รวดเร็วอย่างน่าประหลาดใจสำหรับจุลินทรีย์ที่มักจะเฉื่อยชา

ผู้พิชิตจิ๋วแห่งแผ่นดิน

เปลือกกรวดมีบทบาทสำคัญในระบบนิเวศในท้องถิ่น แต่เสน่ห์ทางวิทยาศาสตร์ไม่ได้หยุดอยู่แค่นั้น โบราณ มั่นคง และพิสดาร สภาพแวดล้อมนี้ยังดึงดูดความสนใจของนักโหราศาสตร์

เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่นักวิทยาศาสตร์ใช้พื้นที่ของทะเลทรายอาตาคามาเป็น แอนะล็อกบนบก สำหรับดาวอังคาร การแผ่รังสีที่รุนแรง ฝนตกไม่บ่อยนัก ภูมิประเทศที่แห้งแล้ง และความผันผวนของอุณหภูมิในป่าทำให้ทะเลทรายมีลักษณะแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง (อย่างไรก็ตาม Gutiérrez Alvarado ยืนยันว่าสิ่งที่แปลกที่สุดเกี่ยวกับ Pan de Azúcar คือเจ้าหน้าที่อุทยานคนอื่นๆ ของเขา — “พวกเขาคือชาวดาวอังคารอย่างแน่นอน” เขากล่าวพร้อมรอยยิ้มที่แตกร้าว)

นักวิจัยกำลังใช้ Atacama biocrusts เพื่อสร้างไลบรารีของลายเซ็นทางเคมีที่สามารถเป็นแนวทางในการค้นหาชีวิตจุลินทรีย์บนดาวอังคาร แต่สิ่งมีชีวิต biocrust ยังเปิดหน้าต่างสู่ชีวิตบนดาวเคราะห์นอกโลกเล็กน้อย: โลกยุคแรก

หลักฐานฟอสซิล แสดงให้เห็นว่าจุลินทรีย์อาศัยอยู่ใกล้กับช่องระบายความร้อนใต้ทะเลลึกเมื่อประมาณ 3.5 พันล้านปีก่อน อย่างไรก็ตาม สิ่งมีชีวิตพิชิตดินแดนเมื่อใดและอย่างไรนั้นยังไม่ชัดเจนนัก ภูมิประเทศในทวีปต่างๆ นั้นยากขึ้น รุนแรงขึ้น และห้ามปรามมากกว่าที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน

Ariel Anbar นักธรณีเคมีแห่ง Arizona State University กล่าวว่า “คุณคงไม่มีทางพัฒนาดินได้อย่างสวยงามเหมือนตอนนี้” “พืชที่ขึ้นอยู่กับพืชหลายชั่วอายุคนก่อนหน้านี้เพื่อสร้างสภาพแวดล้อมที่เป็นมิตร — พวกมันจะมีช่วงเวลาที่ยากลำบาก”

ก่อนที่พืชจะมาถึง นักวิจัยบางคนคิดว่า เปลือกของจุลินทรีย์อาจช่วยเตรียมดินโดยการเปลี่ยนหินเปล่าให้เป็นดินที่ได้รับการปฏิสนธิ ไบโอครัสต์ที่ปรับตัวได้ดีกับสภาวะที่รุนแรงสามารถจับพื้นผิวที่เหมาะสมซึ่งมีสารอาหารและถูกทำให้ชื้นด้วยหมอกเป็นประจำ โดยการทำให้หินผุกร่อนทีละน้อยและทำให้ตะกอนมีความเสถียรเหมือนดิน มันสามารถเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมในลักษณะที่ส่งเสริมการพัฒนาของสิ่งมีชีวิตที่สูงขึ้น

“เปลือกชีวภาพของ Pan de Azúcar นี้เป็นตัวแทนของสถานการณ์นี้” Alfaro กล่าว “มันเหมือนกับชุมชนดั้งเดิมที่จะเพิ่มการพัฒนาของดินและสร้างชุมชนที่ซับซ้อนมากขึ้น”

จุลินทรีย์เปลือกกรวดใน Atacama ทุกวันนี้ไม่ใช่แบบจำลองที่สมบูรณ์แบบของจุลินทรีย์ที่อาจเตรียมโลกในยุคแรกเริ่ม ชุมชนโบราณดังกล่าวน่าจะได้รับการปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่ขาดออกซิเจนและปราศจากไลเคน ซึ่งเชื่อกันว่ามีวิวัฒนาการในช่วง 250 ล้านปีที่ผ่านมาเท่านั้น แต่นักวิจัยเห็นพ้องต้องกันว่าชุมชนเปลือกกรวดสมัยใหม่ยังคงสามารถทำหน้าที่เป็นอะนาล็อกที่มีค่าสำหรับสิ่งที่เกิดมาก่อน

แนวคิดที่ว่าจุลินทรีย์สามารถเอื้อต่อการอยู่อาศัยของโลกยุคแรกนั้นไม่ใช่เรื่องใหม่ ในช่วงปี 1980 นักวิทยาศาสตร์ด้านสิ่งแวดล้อม David Schwartzman จาก Howard University และ Tyler Volk จาก New York University ได้เสนอว่า สภาพดินฟ้าอากาศทางชีวภาพ สิ่งมีชีวิตบนบกในยุคแรกเริ่มสามารถแยกก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากชั้นบรรยากาศได้มากพอที่จะทำให้พื้นผิวโลกเย็นลงในช่วงที่สิ่งมีชีวิตอื่นอาศัยอยู่ได้ Schwartzman กล่าวว่า "เรามีหลักฐานของสภาพดินฟ้าอากาศที่รุนแรงมากใน Archean "biocrusts สันนิษฐานว่ามีบทบาทบางอย่างในเรื่องนี้"

แต่เราไม่ต้องอาศัยสมมติฐาน ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา มีหลักฐานทางอ้อมปรากฏขึ้นเกี่ยวกับชุมชนจุลินทรีย์บนบกในช่วงยุคอาร์เคียน Gregory Retallack ศาสตราจารย์กิตติคุณแห่งมหาวิทยาลัย Oregon เชื่อว่าเขาได้พบหลักฐานเกี่ยวกับชุมชนที่มีลักษณะคล้ายกับเปลือกชีวภาพในดินฟอสซิล (หรือ "paleosols") เมื่อย้อนกลับไปเมื่อ 3.7 พันล้านปีก่อน ซึ่งท้าทายสมมติฐานทั่วไปที่ว่าสิ่งมีชีวิตมีต้นกำเนิดในทะเล “หลักฐานจากซากดึกดำบรรพ์ค่อนข้างชัดเจนว่ามีสิ่งต่างๆ มากมายอยู่บนบก แม้แต่ในยุคแรกๆ” เขากล่าว “คุณสามารถเห็นเศษผ้าของจุลินทรีย์เหล่านี้ได้ด้วยตาเปล่า”

นำทีมโดย คริสตอฟ โธมาโซนักธรณีวิทยาแห่งมหาวิทยาลัย Burgundy ได้พบหลักฐานว่า biocrusts สมัยใหม่บางชนิดสามารถอยู่รอดได้ในชั้นบรรยากาศของโลกยุคแรกในช่วงยุค Archean: จุลินทรีย์ของพวกมันสามารถตรึงแก๊สไนโตรเจนให้เป็นแอมโมเนียมและไนเตรตได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งมอบสารอาหารที่เข้าถึงได้ให้กับโลกที่เกิดขึ้นใหม่ ระบบนิเวศ นักวิจัยยังสังเกตเห็นว่าปริมาณไอโซโทปคาร์บอนและไนโตรเจนบางส่วนของ biocrusts ในทะเลทรายนั้นเหมือนกับหินจาก Archean

"มีลายเซ็น [ใน biocrusts เหล่านี้] ที่เข้ากันได้กับสารอินทรีย์ของ Archean" Thomazo กล่าว เขา “ค่อนข้างมั่นใจ” ว่าสิ่งมีชีวิตบนบกกลุ่มแรกของโลกเป็นสิ่งที่คล้ายกับไบโอครัสต์สมัยใหม่

ยืดหยุ่นแต่เปราะบาง

ระหว่างขับรถออกจากสวนสาธารณะ Gutiérrez Alvarado หยุดรถ ลงจากรถ และหันกลับมา รอยยางของรถของเขาถูกเฉือนออกอย่างรวดเร็วผ่านชั้นกรวดที่ปกคลุมหนาแน่น ทิ้งซากศพของจุลินทรีย์ไว้เป็นแถว เปลือกโลกนั้นยืดหยุ่นได้ แต่ก็ยังห่างไกลจากการทำลายไม่ได้ และแม้แต่รอยเท้าของมนุษย์ก็สามารถลบล้างส่วนเล็กๆ ของมันได้ นั่นเป็นเหตุผลที่กรมอุทยานฯ ติดป้าย "ห้ามจับเปลือกโลก" ทั่วภาคตะวันตกของสหรัฐฯ กระตุ้นให้นักปีนเขาอยู่บนเส้นทางเพื่อปกป้องดินที่ยังหายใจได้

Gutiérrez Alvarado สมบัติของเปลือกกรวดที่กว้างใหญ่ ในฐานะแรนเจอร์ ภารกิจของเขาคือการรักษาภูมิทัศน์ของอุทยานและทุกสิ่งที่อาศัยอยู่ในนั้นให้ปลอดภัยจากผู้มาเยือนที่ประมาทและการปฏิบัติการขุดที่รุกราน เขากล่าว ในการศึกษา เผยแพร่ในเดือนเมษายน ที่เขาเขียนร่วมกับ Jung และ van den Brink เขาเรียกร้องให้ฝ่ายบริหารอุทยานแห่งชาติชิลีพิจารณา biocrusts ในแผนอนุรักษ์ธรรมชาติของพวกเขา

“เราต้องหาเหตุผลให้ได้ว่าเหตุใดเราจึงปิดถนนหรือปิดเส้นทางบางส่วน จึงไม่มีใครสามารถไปที่นั่นได้” กูตีเอร์เรซ อัลวาราโดกล่าว “เราไม่มีกฎหมาย ดังนั้นการวิจัยจึงเป็นข้อมูลสำรองของเรา”

แต่ biocrusts เผชิญกับภัยคุกคามจากมนุษย์ที่เลวร้ายยิ่งกว่ารอยเท้า: การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ

ในปี 2018 Belnap, Büdel และเพื่อนร่วมงานได้ตีพิมพ์ผลการศึกษาที่ประเมินว่า biocrusts ต่างๆ ทั่วโลกจะปรับตัวเข้ากับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและการใช้ที่ดินอย่างเข้มข้นได้อย่างไร แบบจำลองของพวกเขาคาดการณ์ว่าภายในสิ้นศตวรรษนี้ การปกคลุมของเปลือกโลกทางชีวภาพทั่วโลกอาจลดลง 25% หรือมากกว่านั้น การลดลงเหล่านี้อาจทำให้ดินที่ดีต่อสุขภาพน้อยลงและทำให้เกิดฝุ่นที่จับตัวเป็นก้อนหิมะ กักความร้อนไว้มากขึ้น และทำให้สภาพอากาศเลวร้ายลง “จากนั้นเราจะเริ่มเห็นความคล้ายคลึงกับดาวอังคารอย่างแท้จริง” ฟาน เดน บริงก์กล่าว

อย่างไรก็ตาม ไบโอครัสต์ Atacama มีความโดดเด่นในแบบจำลองนี้ ภายใต้สถานการณ์สภาพอากาศขั้นสูง เมื่อเปลือกโลกส่วนใหญ่ตายไป กรวดดูเหมือนจะงอกงาม

เมื่อดวงอาทิตย์ลับขอบฟ้า Gutiérrez Alvarado, van den Brink และฉันปีนขึ้นไปบนกองทรายเพื่อมองดูเนินเขากลิ้งที่ถูกหมอกกลืนเป็นครั้งสุดท้าย จากด้านบน ฉันยังสามารถชื่นชมความกว้างใหญ่ที่แท้จริงของอาณาจักรกรวดและพยุหเสนาของจักรวรรดิที่อ้างสิทธิ์อย่างเงียบๆ ไปจนถึงเส้นขอบฟ้า ฉันอดคิดไม่ได้ว่าตลอดมา หินเหล่านี้อาจเก็บความลับไว้อีกอย่าง นั่นคือหากจุลินทรีย์เหล่านี้มาถึงเป็นคนแรก บางทีพวกมันก็อาจจะไปเป็นคนสุดท้ายด้วย