在凶猛的沙漠中，微生物的“结壳”展示了生命是如何驯服这片土地的广达杂志

2017 年，德国科学家团队长途跋涉前往智利，调查生物体如何塑造地球表面。 当地护林员带领他们穿过 Pan de Azúcar 国家公园，这是位于阿塔卡马沙漠南海岸的一个面积约 150 平方英里的国家公园，这里通常被描述为地球上最干旱的地方。 他们发现自己身处一片平坦、布满碎石的荒地，中间偶尔有小山，毛茸茸的仙人掌向从未下雨的天空伸出手臂。 他们脚下的地面形成了一个棋盘，不规则的深色卵石块坐落在像骨头一样漂白的浅色卵石之间。

最初，小组领导对沙漠表面的黑色斑块不感兴趣 布克哈德·比德尔一位经验丰富的生物学家，在过去的几十年里一直在七大洲的沙漠中搜寻生命迹象。 像这样的变色，被称为沙漠清漆，是普遍存在的，通常表明存在锰或其他矿物质。 继续前进，他指示他的队友。

但他的研究生 帕特里克·荣格 棋盘无法从他的脑海中消失。 荣格在一些黑色的鹅卵石上发现了看起来像地衣的东西，怀疑它们可能栖息着更多的东西。 最终，他捡起一块石头，从瓶子里滴了一些水在上面，然后通过手持放大镜观察它。 黑石的脸上爆发出绿色。 瓦砾又活了过来。

荣格从背包里拿出一个光合作用监视器。 轻轻一按荧光蓝色传感器即可确认岩石内的某种物质正在将二氧化碳转化为氧气。 包括布德尔在内的荣格的同事重复了这个实验后，他们都在沙漠的阳光下兴奋地跳舞。 然后它们趴在地上，眼睛盯着生活在灰尘中的微生物地毯。 在他们周围，黑暗的斑点在大地上重复出现，每一块都充满了自己的微观宇宙。

自2019年以来，荣格在德国凯泽斯劳滕应用科学大学领导了一个项目，致力于研究 不寻常的微生物群落，现在称为砂砾壳。 他的团队一直在努力了解这些微生物的极端适应能力，这些适应能力使得这些微生物能够栖息在这片臭名昭著的敌对土地上，在那里它们只能偶尔喝一口雾气才能恢复活力。 这 他们发现的答案 提供了有关生命如何在数十亿年前首次扎根地球表面的线索。

两个月前，首先将德国科学家带到阿苏卡尔潘的公园管理员带我去了他们的发现地点。 何塞·路易斯·古铁雷斯·阿尔瓦拉多跪在棋盘的一个黑色空间中，捡起一块耳环耳钉大小的石头。 他从口袋里拿出一个放大珠宝商的放大镜，这是一个刻有“Los Secretos de las Rocas”字样的个人纪念品。 他把放大镜放在手掌上的石头上，这样我也能了解它的秘密。

砂砾地壳的发现改变了古铁雷斯·阿尔瓦拉多的沙漠，他在过去十年里每天都在沙漠中巡逻。 “这不仅仅是岩石，不仅仅是空旷的空间，”他一边说，一边凝视着鹅卵石片。 “现在一切都在呼吸。”

地球的生命皮肤

与古铁雷斯·阿尔瓦拉多 (Gutiérrez Alvarado) 一起驾车穿越 Pan de Azúcar，就像乘坐地质时间机器一样。 一个时代的古老火山洞穴逐渐消失，变成了另一个时代的连绵起伏的侵蚀沙丘，在它们的后面偶尔会出现一片长满青草的采石场或仙人掌树林。

在山丘之间可以看到露出地面的母基岩，这是一堆掺有不同矿物质的石英。 它的脚下是它的后代，是经过数百万年破碎的更小的碎片。 在它们下面是一排逐渐变小的岩石，一直到最初让荣格着迷的耳环大小的颗粒。 这些散布在沙漠地面上的鹅卵石在当地被称为“maicillo”，在英语中被称为“grit”。 基材具有充足的多孔性，为微生物提供了大量的裂缝和角落。 每级岩石的缝隙中都嵌着绿色和黑色生命的小灌木丛。

在 2017 年的探险中，荣格收集并干燥了这种砂砾的样本，然后将其运回德国。 然后，他决心更多地了解微生物，仅用了两年半的时间就完成了博士学位，并发表了 10 多篇出版物。 从 DNA 样本中，他推断出砂砾壳由数百种蓝细菌、绿藻和真菌组成，其中包括几种以前未知的地衣组合。 与此同时，他的同事将石头切成薄片进行成像。 这些照片显示了单个真菌菌丝如何深入岩石，形成分支运河网络。

乍一看，砂粒结皮似乎是研究人员所说的生物土壤结皮或“生物结皮”的一个常规例子——一个共存的细菌、真菌、藻类和其他微生物的群落，以连贯的片状覆盖土壤。 大约 12% 的地球土地被生物结皮覆盖。 生态学家经常将这些殖民地称为地球的“活皮肤”。

在上个世纪，科学家们已经在全球范围内发现了生物结皮，并努力了解它们在塑造生态系统中的作用。 他们了解到，结皮将土壤颗粒固定在适当的位置，并为土壤中生长的生物体提供必需的营养物质，如碳、氮和磷。 2012 年，Büdel 和他的同事 估计 生物结皮吸收并回收陆地植被化学“固定”的约 7% 的碳和近一半的氮。 在干旱沙漠中，生物结皮在获取可消化氮方面的作用尤其重要：在其他地方，闪电通常可以将大气中的氮转化为硝酸盐，但在沙漠中，雷暴很少见。

生物结皮创造了“肥沃的小绿洲”，说 杰恩·贝尔纳普”，美国地质调查局的生态学家，2001 年帮助标准化了“生物结皮”一词。“对于土壤生物来说，这个区域将像冰棒一样。 他们和我们其他人一样都是糖瘾者。”

但 Pan de Azúcar 的微生物群落并不是普通的生物结皮。 虽然传统的生物结皮覆盖在细小的土壤颗粒的顶层，而其他种类的生物体直接在单个巨石的顶部发芽，但“砂粒位于两者之间 - 这是一个过渡区域，”说 莉斯贝斯·范·登·布林克是蒂宾根大学的生态研究员，现在与古铁雷斯·阿尔瓦拉多 (Gutiérrez Alvarado) 住在 Pan de Azúcar 郊外。 在砂砾壳中，石头提供了结构，但微生物将它们定殖在一个连贯的薄片中——就像一层薄薄的树脂将岩石花园灌浆在一起。

由于生物体与岩石基质密切相关，因此砂砾壳体现了“非生物与生物的碰撞”，说 罗慕洛·奥塞斯，阿塔卡马大学生物学家。 “在这个界面，你会看到很多答案。”

Pan de Azúcar 的砂砾壳迫使科学家们 扩大他们的观念 生物结皮是什么、微生物可以在哪里生存以及微生物群落如何塑造它们周围的环境。 他们为重新思考地球和生命如何在各个时代共同演化打开了大门。

啜饮雾气

Pan de Azúcar 荒凉，但远非毫无生机。 该公园毗邻太平洋，靠近海平面，比阿塔卡马高海拔的极度干旱核心气候温和得多。 尽管如此，这里每年的降雨量最多为 12 毫米，而且太阳辐射水平往往高得惊人。

在前往公园唯一的餐车的路上，我和古铁雷斯·阿尔瓦拉多 (Gutiérrez Alvarado)、范登·布林克 (van den Brink) 可以在那里停下来吃当地的海鲜肉馅卷饼，但我们绕道而行。 古铁雷斯·阿尔瓦拉多 (Gutiérrez Alvarado) 停下来检查他的一台天气监测设备，该设备被铁丝网围起来，并在沙漠中用岩石固定。 在它旁边，他指着地面上一个大约牛大小的洼地，骆驼的野生亲戚骆驼最近在那里洗了尘土浴。 Gutiérrez Alvarado 和其他护林员最近统计了公园里生活着 83 只原驼。

“他们怎么在这里生存？” 范登布林克惊叹不已。 “这里有什么东西可以生存吗？”

答案是智利海岸线上独特的浓雾，这种天气现象在当地被称为“camanchaca”。 由于降雨量如此之少，Pan de Azúcar 的所有生命最终都取决于雾气所携带的水分。 例如，原驼依靠附着在仙人掌上的苔藓捕获的水来生存，而仙人掌生长在由砂砾皮施肥的土壤中。

公园里的人类没有什么不同。 在俯瞰海岸的山脊上，有四个车库门大小的网状面板，古铁雷斯·阿尔瓦拉多和其他护林员将其设置为雾收集器。 每天，它们上面凝结的水量足以供应公园为数不多的厕所之一的水槽。 雾气太浓了，古铁雷斯·阿尔瓦拉多（Gutiérrez Alvarado）一度险些从悬崖上直接驶入大海。 只有地上的一个小标志在最后一刻提醒他左转。

然而，大部分水对于砂砾壳生物来说是无法接触到的。 在一天的大部分时间里，石头都变得非常热，以至于在它们上面形成一层炙热的空气边界层，阻止微生物吸收水分。 微生物已经学会在脱水、休眠的状态下等待炎热的天气过去。 但到了晚上，没有阳光可供它们进行光合作用。 因此，微生物在日出后最多有几个小时的时间来饮用凝结成雾或露水的水。

荣格和同事测试了微生物开始光合作用所需的水量。 理想的用量是 0.25 毫米水——低于任何其他已知生物结皮的要求。 一旦受到抑制，微生物开始光合作用的速度比研究人员见过的任何群落都要快。

贝尔纳普说：“尽管这些生物体生活在极度干旱的地区，但它们有办法长寿并繁衍生息。” 这种足智多谋极大地扩展了生物结皮可以占据的领域，超出了科学家的想象。 尽管迄今为止仅在 Pan de Azúcar 发现了砂砾壳，但研究人员怀疑它也可能生长在阿塔卡马其他地区，甚至可能在南部非洲的沙漠中。

荣格说：“砂砾地壳正在为生命可能存在的条件设定新的门槛。”

然而，正如沙漠调节了这些微生物一样，微生物也确实塑造了沙漠。 由于所有生物体都定居在这些微小的岩石上，当砂砾壳变湿且细胞自行再水合时，每块砂砾石的体积会增加约 25%。 随着沙漠雾气的进出，砂砾石会膨胀和收缩。 这些有规律的收缩，加上微生物在光合作用过程中分泌的酸，具有“生物风化”效应——将岩石分解成卵石，再将卵石分解成沙砾。

虽然所有生物结皮都会进行一定程度的风化，但较大颗粒的砂砾结皮尤其适合这种情况。 这个过程揭示了微生物影响其环境的全部潜力。 微生物皮肤可以将卵石粘在一起，将它们分解成土壤，并为土壤提供必需的养分。 实际上，地壳可以“改造”沙漠。

2015 年的一场灾难之后，微生物的威力得到了充分的展现。在荣格踏上 Pan de Azúcar 的两年前，一场罕见的山洪肆虐了该地区。 短短两天内，该地区就遭遇了多年的降雨量。 由此引发的洪水导致邻近城镇至少 31 人死亡。

然而，沙漠却充满了生机。 在接下来的几个月里，泥土里奇迹般地绽放出野花——“沙漠之花”。 这些植物如何从长达数十年的休眠中醒来，并充满热情，这让土壤生物学家感到困惑。 但同样，关键可能在地壳中。

费尔南多·阿尔法罗智利主要大学的微生物生态学家通过在沙漠上释放自己的小洪水来验证这一假设。 他将几加仑的瓶装水倒在一平方米的沙漠土壤上。 被生物结皮覆盖的地块保留水分的时间要长得多，有些地块在短短几周内就成功地发芽了植物。

“多年来，[生物结皮]正在准备系统和基质，以快速响应降雨的输入，”阿尔法罗说。 “这些花朵事件取决于这些微小的微生物群落。”

荣格也见证了微生物的恢复力。 在 Pan de Azúcar 周围的 11 个地点，他选择了邻近的黑白斑点并测量了它们的生物活性。 然后他收集了最上面的一层沙砾，在高压锅中消毒，然后放回地面。 一年之内，随着微生物开始在无菌地块上重新定居，曾经的黑色区域再次变得黑暗——比地衣和生物结皮中其他微生物通常发生的速度要快得多。 过去十年的遥感数据显示，公园89%的表面被棋盘状图案覆盖。 在那个殖民区域内，大约四分之一的黑白设计在过去八年里发生了变化——对于通常反应迟缓的微生物来说，反应速度快得惊人。

大地的小征服者

砂砾壳在当地生态系统中发挥着重要作用，但其科学吸引力并不止于此。 这种古老、稳定、神秘的环境也引起了天体生物学家的注意。

几十年来，科学家们一直利用阿塔卡马沙漠的部分地区作为 陆地类似物 为了火星。 极端的辐射、稀少的降水、贫瘠的景观和剧烈的气温波动使沙漠显得异常超凡脱俗。 （然而，古铁雷斯·阿尔瓦拉多坚持认为，潘德阿苏卡尔最奇怪的地方是他的公园护林员同伴——“​​他们肯定是火星人，”他笑着说。）

研究人员正在利用阿塔卡马生物结壳构建化学特征库，以指导在火星上寻找微生物生命。 但生物结壳生物也打开了一扇窗户，让我们了解一个不太陌生的星球上的生命：早期地球。

化石证据 表明微生物在大约 3.5 亿年前就生活在深海热液喷口附近。 然而，生命何时以及如何征服这片土地还不太清楚。 大陆上的地形比今天更加坚硬、险峻和险恶。

亚利桑那州立大学地球化学家阿里尔·安巴尔 (Ariel Anbar) 表示：“以前不会有像现在这样发育良好的土壤。” “那些依赖之前的许多代植物来创造适宜环境的植物——它们会度过一段艰难的时期。”

一些研究人员认为，在植物出现之前，微生物的结皮可能通过将裸露的岩石转化为肥沃的土壤来帮助准备土地。 能够很好地适应极端条件的生物结皮可以容纳合适的基质，容纳营养物质并定期用雾湿润。 通过逐渐风化岩石并将沉积物稳定为土壤，它可以以促进高等生物发育的方式改变环境。

“Pan de Azúcar 的生物结壳代表了这种情况，”阿尔法罗说。 “它就像一个原始群落，可以增加土壤的发育并形成更复杂的群落。”

今天阿塔卡马沙漠中的砂砾地壳微生物并不是那些可能形成早期地球的微生物的完美复制品。 这样一个古老的群落很可能适应了缺氧的环境，并且没有地衣，而地衣被认为是在过去 250 亿年里才进化出来的。 但研究人员一致认为，现代砂砾地壳群落仍然可以作为亿万年前的有价值的类比。

微生物可能促成早期地球的宜居性的想法并不是什么新鲜事。 1980 世纪 XNUMX 年代，霍华德大学的环境科学家 David Schwartzman 和纽约大学的 Tyler Volk 提出： 生物风化 早期陆地生命造成的二氧化碳可能从大气中吸收了足够的二氧化碳，从而将地球表面冷却到适合其他生物居住的范围。 施瓦茨曼说：“我们有证据表明太古代有非常强烈的风化作用。” “想必生物结皮在其中发挥了一定作用。”

但我们不必依赖假设。 在过去的几十年里，关于太古宙陆地上微生物群落的间接证据已经浮出水面。 俄勒冈大学名誉教授 Gregory Retallack 相信，他已经在 3.7 亿年前的化石土壤（或“古土壤”）中发现了类似于生物结皮的群落的证据，挑战了生命起源于海洋的普遍假设。 “来自古土壤的证据非常清楚地表明，即使在很早的时候，陆地上就存在各种各样的东西，”他说。 “你只需用肉眼就可以看到这些微生物结皮织物。”

领导的团队 克里斯托夫·托马佐勃艮第大学的地球生物学家发现了证据，表明一些现代生物结皮可能在太古代时期的早期地球大气中幸存下来：它们的微生物可以有效地将气态氮固定成铵和硝酸盐，为新兴的地球提供可获取的营养物质。生态系统。 研究人员还注意到，一些沙漠生物结皮的碳同位素和氮同位素含量与太古代岩石的碳和氮同位素含量相似。

“[这些生物结壳中]有一些与太古宙有机物相容的特征，”托马佐说。 他“非常有信心”认为，地球上第一批陆地居民类似于现代生物结壳。

坚韧但脆弱

在驶出公园的过程中，古铁雷斯·阿尔瓦拉多 (Gutiérrez Alvarado) 停车、下车并掉头。 他的汽车的轮胎痕迹急剧地划破了厚厚的砂砾层，留下了一排微生物尸体。 地壳是有弹性的，但它远非坚不可摧，甚至人类的足迹也能抹掉其中的一小块。 这就是为什么国家公园管理局在美国西部各地张贴“不要破坏地壳”的标志，敦促徒步旅行者留在小路上，以保护呼吸的土壤。

古铁雷斯·阿尔瓦拉多 (Gutiérrez Alvarado) 珍视广阔的砂砾地壳。 他说，作为一名护林员，他的使命是保护公园的景观和所有栖息在其中的生物免受疏忽的游客和侵入性采矿作业的影响。 在一项研究中 发表于 XNUMX 月 在他与荣格和范登布林克合着的一本书中，他敦促智利国家公园管理层在其自然保护计划中考虑生物结皮。

古铁雷斯·阿尔瓦拉多说：“我们需要证明为什么我们要关闭道路或关闭一些小径，这样就没有人可以去那里了。” “我们没有法律，所以研究是我们的后盾。”

但生物结皮面临着比脚印更严重的人为威胁：气候变化。

2018 年，贝尔纳普、布德尔和他们的同事发表了一项研究，估计世界各地不同的生物结皮将如何适应气候变化和土地利用集约化。 他们的模型预测，到本世纪末，全球生物结皮的覆盖范围可能会减少 25% 或更多。 这些减少可能会导致土壤变得不健康，并导致松散的灰尘沉积在积雪上，从而捕获更多的热量并加剧地球的气候问题。 “然后我们将真正开始看到与火星的相似之处，”范登布林克说。

然而，阿塔卡马生物结皮在这个模型中脱颖而出。 在先进的气候情景下，当大多数其他结壳消失时，砂砾似乎会蓬勃发展。

当太阳落山时，古铁雷斯·阿尔瓦拉多、范登布林克和我爬上一座沙丘，最后一睹被雾气吞没的连绵起伏的山丘。 从山顶，我还可以欣赏到沙砾帝国的真实广阔，以及它的军团悄悄地在地平线之外占领领土。 我情不自禁地想，一直以来，岩石可能还保守着一个秘密：如果像这样的微生物是第一个到达的，那么它们也许也是最后一个离开的。