Kontinentale Mikroben halfen, alte Meere mit Stickstoff zu säen

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Anonim

Wie unsere Ozeane strotzen die heutigen Kontinente vor Leben. Noch vor Milliarden von Jahren, vor dem Aufkommen der Pflanzen, wären die Kontinente unfruchtbar erschienen. Es wurde angenommen, dass diese scheinbar unbewohnten Landformen keine Rolle in dem frühen biochemischen Uhrwerk spielen, das als Stickstoffzyklus bekannt ist, von dem die meisten Lebewesen abhängen, um überleben zu können.

Nun zeigen ASU-Forscher Ferran Garcia-Pichel, zusammen mit Christophe Thomazo vom Laboratoire Biogéosciences in Dijon, Frankreich, und Estelle Couradeau, ehemalige Marie-Curie-Postdoc in beiden Labors, biologische Bodenkrusten - Kolonien von Mikroorganismen, die sich heute in trockenen Gebieten ansiedeln. Wüstenumgebungen - könnten eine bedeutende Rolle im Stickstoffkreislauf der Erde gespielt haben, indem sie dazu beigetragen haben, frühe Ozeane zu befruchten und eine Nährstoffverbindung zwischen Atmosphäre, Kontinenten und Ozeanen zu schaffen.

Garcia-Pichel leitet das Biodesign Center für fundamentale und angewandte Mikrobiomik und ist Professor an der ASU School of Life Sciences. Ursprünglich ein mariner Mikrobiologe, faszinierte ihn die verborgene Welt der Mikroorganismen, die auf Böden in Wüsten und anderen trockenen Gebieten ohne Pflanzen leben. Diese lebenden Bio-Krusten haben bemerkenswerte Eigenschaften und gedeihen unter extremen Bedingungen, indem sie helfen, die Böden an Ort und Stelle zu verankern, so dass sie der Erosion widerstehen und Weideland und Wüsten düngen.

Die neue Forschung, die in der fortgeschrittenen Online-Ausgabe der Zeitschrift Nature Communications erscheint, legt nahe, dass Analoga dieser Biokrusten sich über ansonsten desolate Kontinente der frühen Erde ausbreiteten und dazu beitrugen, den Stickstoffkreislauf für unser heutiges Leben zu etablieren.

Sich entwickelnde Atmosphäre

"Diese wirklich frühe Erde war in vieler Hinsicht ein ganz anderer Planet, besonders in der Zusammensetzung der Atmosphäre", sagt Garcia-Pichel. "Vor dem Erscheinen von oxygenen photosynthetischen Mikroben, wie Cyanobakterien, die Sauerstoff produziert haben - genau wie Pflanzen heute - wurde die Atmosphäre nicht mit Sauerstoff angereichert." Diese riesige sauerstofffreie Epoche dauerte die Hälfte der 4, 6 Milliarden Jahre alten Geschichte der Erde.

All dies änderte sich mit etwas, das von Geochemikern als "Great Oxygenation Event" bezeichnet wird. "Das war vielleicht die wichtigste Veränderung in der Natur dessen, was der Planet ist. Es gibt verräterische Anzeichen dafür, dass die Menschen eine gute Vorstellung davon haben, wann das passiert ist - vor etwa 2, 45 Milliarden Jahren, aber konventionelle Weisheit "Das passiert in flachen Ozeanen", sagt Garcia-Pichel.

Heute macht Stickstoff 78 Prozent der Atmosphäre aus. Es ist ein lebenswichtiges Element in DNA, RNA und Proteinen, den Schlüsselkomponenten des Lebens. Aber der Stickstoff in der Atmosphäre ist nicht für die meisten Organismen geeignet. Es muss zuerst verarbeitet werden, durch den so genannten Stickstoffkreislauf. Dies tritt auf, wenn prokaryotische Organismen eine Stickstofffixierung durchführen, wodurch Luftstickstoff in einer für das Überleben von Pflanzen und Tieren nützlichen Form verfügbar gemacht wird.

Während lange angenommen wurde, dass der Stickstoffkreislauf, der früh in der Erdgeschichte entstand, von ozeanischen Mikroben während einer alten Phase, die als Archaisch bekannt ist, herrührt, legen neue Forschungsergebnisse nahe, dass signifikante Mengen an Stickstoff von landbasierten biologischen Bodenkrusten stammen.

Perspektivwechsel

"In den Köpfen vieler Evolutionsbiologen waren die Kontinente zu Beginn der Erdgeschichte irrelevant, weil man annimmt, dass sie bis zur Entstehung der ersten Pflanzen vor etwa 0, 4 Milliarden Jahren unfruchtbar gewesen sind. Also alle Modelle, wie Elemente zyklisiert wurden Sie beruhen auf Wechselwirkungen zwischen dem Ozean und der Atmosphäre ", sagt Garcia-Pichel.

Kürzlich jedoch begannen Beweise dafür zu erscheinen, dass die Kontinente weit von den sterilen Landmassen entfernt waren, in denen sie dargestellt worden waren. Stattdessen besiedelten komplizierte Mikrobengemeinschaften, die den in heutigen Wüstenumgebungen gefundenen Biocrusten ähnlich sind, die frühen Kontinente. Die Spuren ihrer Anwesenheit stammen aus der Zeit vor 3, 2 Milliarden Jahren, lange bevor das große Ereignis der Oxygenierung die Bühne für die kambrische Explosion ebnete - ein plötzlicher Ausbruch von Leben, aus dem die meisten Tierstämme der Welt hervorgingen.

Die Forscher stellen fest, dass solche Biokrusten heute etwa 12 Prozent des Landes einnehmen. Sie bestehen aus filamentösen Cyanobakterien, die den größten Teil der Kohlenstoff- und Stickstofffixierung der Biokraftstoffe übernehmen und dem Rest des Mikrobioms der Kruste Nährstoffe zuführen, während sie die Erdkörner miteinander verbinden und mikrobiellen Gemeinschaften Erosionsbeständigkeit verleihen.

"Diese Gemeinschaften leben vom Licht", sagt Garcia-Pichel. "Als sich die Pflanzen entwickelten und anfingen sich zu akkumulieren, bedeutete dies ihren Untergang. Es gibt kein Licht mehr auf dem Boden wegen der Akkumulation von Pflanzenstreu". Aber in einer frühen Welt, vor der Entwicklung der Pflanzen, würde es nichts geben, was ihre Kolonialisierung der Kontinente behindern würde, wo die Bedingungen für ihr Wachstum und ihre Entwicklung wesentlich weniger hart gewesen wären.

Wie Garcia-Pichel feststellt, bieten wässrige Umgebungen wie Ozeane und Seen bessere Bedingungen für die Fossilisation, was die Entdeckung von alten Bio-Krusten-Kolonien an Land schwieriger macht. Dies könnte zum Teil für die Vernachlässigung von kontinentalen Biocrusts als die primären landgestützten Ökosysteme für einen Großteil der Geschichte des Planeten verantwortlich sein.

Ein neues Bild entsteht

Das Team führte eine Meta-Analyse ihrer früheren Daten in Kombination mit anderer relevanter Literatur über den Stickstoffkreislauf durch moderne Biokraftstoffe durch. Die Ergebnisse zeigen, dass stickstoffzyklische Biokraftstoffe in der Lage sind, Stickstoffgas aus der Atmosphäre zu importieren und Ammonium und Nitrat zu exportieren.

Quantitative Analysen deuten darauf hin, dass der Beitrag von Biokraftstoffen zum Stickstoffkreislauf während der frühen Erdgeschichte bedeutend gewesen wäre, selbst wenn die präkambrischen Kontinente nur begrenzt besiedelt wurden.

Die Vorstellung von Land-basierten Lebensformen - den Bio-Krusten -, die einen wesentlichen Beitrag zur frühen Biogeochemie der Erde leisten, ist ein bedeutender Paradigmenwechsel. Neue Forschungen sollen dazu beitragen, herauszufinden, wie weit sich diese mikrobiellen Biozerstäube in der Erdgeschichte erstrecken, und dabei helfen, ihre Beiträge zum Kreislauf anderer Elemente wie Phosphor zu erforschen.

Wüstenverteidiger

Das Garcia-Pichel-Zentrum beteiligt sich auch an der Wiederherstellung von Biokraftstoffgemeinschaften in Wüstengebieten, in denen Verstädterung und andere Faktoren diese stark beeinträchtigt haben. Während diese Gemeinschaften eine erstaunliche Widerstandsfähigkeit gegenüber den harten Bedingungen sowohl der Wüsten- als auch der Polarregionen aufweisen, sind sie sehr empfindlich gegenüber menschlichem Eingriff, einschließlich Trampling, Fahrzeugverkehr und Landwirtschaft.

Garcia-Pichel schätzt, dass in den Gebieten um Phoenix, wo er arbeitet, nur 5 Prozent der ursprünglichen Biocrusts übrig sind. Darüber hinaus wird der Klimawandel nicht nur die Demografie von Biocrusts verändern, die sich je nach Region in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, sondern einige Wüstenumgebungen für ihr Überleben zu stark aride machen. Die Restaurierung dieser Gemeinschaften ist derzeit ein herausforderndes Unterfangen, Teilwissenschaft und Teilkunst. Die richtige Mischung von mikrobiellen Akteuren muss vorhanden sein, damit neu angesiedelte Gemeinschaften überleben und gedeihen können.

"Wenn man die Kruste zerstört, macht man den Boden instabil und sehr anfällig für Erosion", sagt Garcia-Pichel. "Gebiete, die von Krusten abgeholzt sind, sind Quellen von flüchtigem Staub und Sand. Der natürliche Schutz der Wüste ist nicht vorhanden, und selbst mäßige Winde können ein Habib auslösen. Wir wurden in den letzten 5 Jahren finanziert, um Wege zum Anbau dieser Krusten zu entwickeln und hat sie auf dem Feld neu seziert. Das ist ein angewandter Teil unserer Arbeit, was eine neue Sache für unser Labor ist. "

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