Zoals onze oceanen, de continenten van vandaag bruist van het leven. Maar miljarden jaren geleden, vóór de komst van planten, continenten zouden onvruchtbaar zijn geweest. Aangenomen werd dat deze schijnbaar lege landvormen geen rol speelden in het vroege biochemische uurwerk dat bekend staat als de stikstofcyclus. waarvan de meeste levende wezens afhankelijk zijn om te overleven.

Nutsvoorzieningen, ASU-onderzoeker Ferran Garcia-Pichel, samen met Christophe Thomazo, van het Laboratoire Biogéosciences in Dijon, Frankrijk, en Estelle Couradeau, een voormalige Marie Curie Postdoc in beide laboratoria, laten zien dat biologische bodemkorsten – kolonies van micro-organismen die tegenwoordig dorre, woestijnomgevingen - hebben mogelijk een belangrijke rol gespeeld in de stikstofcyclus van de aarde, helpen om vroege oceanen te bemesten en een voedingsverbinding tussen de atmosfeer te creëren, continenten en oceanen.

Garcia-Pichel leidt het Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics en is een professor in ASU's School of Life Sciences. Oorspronkelijk, een mariene microbioloog, hij raakte gefascineerd door de verborgen wereld van micro-organismen die op de bodem lagen in woestijnen en andere droge gebieden waar geen planten leven. Deze levende biokorsten hebben opmerkelijke eigenschappen, gedijen in extreme omstandigheden, helpen om de bodem op zijn plaats te verankeren, zodat ze erosie weerstaan, en het bemesten van landerijen en woestijnen.

Het nieuwe onderzoek, die verschijnt in de geavanceerde online editie van het tijdschrift Natuurcommunicatie , suggereert dat analogen van deze biokorsten zich verspreiden over anders desolate continenten van de vroege aarde, en hebben bijgedragen aan de totstandkoming van de stikstofcyclus die essentieel is voor het leven zoals we dat nu kennen.

Evoluerende sfeer

"Deze heel vroege aarde was in veel opzichten een heel andere planeet, vooral in de samenstelling van de atmosfeer, "zegt Garcia-Pichel. "Vóór het verschijnen van zuurstofrijke fotosynthetische microben, zoals cyanobacteriën die zuurstof maakten - net zoals planten tegenwoordig doen - was de atmosfeer niet zuurstofrijk." Dit enorme zuurstofvrije tijdperk duurde de helft van de geschiedenis van 4,6 miljard jaar op aarde.

Dit alles veranderde met iets dat door geochemici werd aangeduid als de Grote Oxygenatie-gebeurtenis. "Dat was misschien wel de allerbelangrijkste verandering in de aard van wat de planeet is. Er zijn veelbetekenende tekenen hiervan in de rockplaat, zodat mensen een goed idee hebben van wanneer dit gebeurde - ongeveer 2,45 miljard jaar geleden, maar volgens de conventionele wijsheid gebeurt dit in ondiepe oceanen", zegt Garcia-Pichel.

Vandaag, stikstof maakt 78 procent van de atmosfeer uit. Het is een essentieel element in DNA, RNA en eiwitten, de belangrijkste onderdelen van het leven. Maar de stikstof in de atmosfeer is niet geschikt voor gebruik door de meeste organismen. Het moet eerst worden verwerkt, door wat bekend staat als de stikstofcyclus. Dit gebeurt wanneer prokaryotische organismen stikstoffixatie uitvoeren, stikstof uit de lucht beschikbaar maken in een vorm die nuttig is voor planten en dieren om te overleven.

Hoewel lang werd aangenomen dat de stikstofcyclus die vroeg in de geschiedenis van de aarde ontstond, voortgekomen uit oceanische microben tijdens een oude fase die bekend staat als de Archean, nieuw onderzoek suggereert dat aanzienlijke hoeveelheden stikstof afkomstig waren van biologische bodemkorsten op het land.

Perspectief verschuiven

"In de hoofden van veel evolutionaire biologen, de continenten waren al vroeg in de geschiedenis van de aarde irrelevant, omdat wordt aangenomen dat ze onvruchtbaar waren totdat de eerste planten verschenen, ongeveer 0,4 miljard jaar geleden. Dus alle modellen van hoe elementen werden gefietst, waren gebaseerd op interacties tussen de oceaan en de atmosfeer, ' zegt Garcia Pichel.

Onlangs echter, er begon bewijs te verschijnen dat suggereerde dat de continenten ver verwijderd waren van de steriele landmassa's zoals ze waren afgeschilderd. In plaats daarvan, ingewikkelde microbiële gemeenschappen vergelijkbaar met biokorsten gevonden in hedendaagse woestijnomgevingen, koloniseerden de vroege continenten. Sporen van hun aanwezigheid dateren van 3,2 miljard jaar geleden, ruim voordat de Grote Oxygenatie-gebeurtenis het toneel vormde voor de Cambrische explosie - een plotselinge uitbarsting van leven die aanleiding gaf tot het grootste deel van 's werelds dierlijke phyla.

De onderzoekers merken op dat vandaag, dergelijke biokorsten bezetten ongeveer 12 procent van het land op aarde. Ze zijn samengesteld uit filamenteuze cyanobacteriën, die de meeste koolstof- en stikstoffixatie van de biokorst uitvoeren en voedingsstoffen leveren aan de rest van het microbioom van de korst, terwijl ze grondkorrels aan elkaar binden en microbiële gemeenschappen erosieweerstand bieden.

"Deze gemeenschappen leven van licht, " zegt Garcia-Pichel. "Toen planten evolueerden en begonnen te accumuleren, dit betekende hun ondergang. Er is geen licht meer op de bodem door ophoping van strooisel". in een vroege wereld, vóór de evolutie van planten, niets zou hun kolonisatie van de continenten in de weg staan, waar de omstandigheden voor hun groei en ontwikkeling aanzienlijk minder hard zouden zijn geweest.

Zoals Garcia-Pichel opmerkt, waterige omgevingen zoals oceanen en meren bieden superieure omstandigheden voor fossilisatie, waardoor de detectie van oude biokorstkolonies op het land uitdagender wordt. Dit kan gedeeltelijk de verwaarlozing van continentale biokorsten verklaren als de oorspronkelijke ecosystemen op het land gedurende een groot deel van de geschiedenis van de planeet.

Er komt een nieuw beeld naar voren

Het team voerde een meta-analyse uit van hun eerdere gegevens in combinatie met andere relevante literatuur over de kringloop van stikstof door moderne biokorsten. De resultaten tonen aan dat stikstofcyclische biokorsten in staat zijn stikstofgas uit de atmosfeer te importeren en ammonium en nitraat te exporteren.

Kwantitatieve analyse suggereert dat de bijdrage van biokorst aan stikstofcycli tijdens de vroege geschiedenis van de aarde aanzienlijk zou zijn geweest, zelfs met beperkte kolonisatie van de pre-Cambrische continenten.

Het idee van op het land gebaseerde levensvormen - de biokorsten - die een belangrijke bijdrage leveren aan de vroege biogeochemie van de aarde, vertegenwoordigt een significante paradigmaverschuiving. Nieuw onderzoek zou moeten helpen vast te stellen hoe ver terug in de geschiedenis van de aarde deze microbiële biokorsten zich uitstrekken en helpen hun bijdragen aan de kringloop van andere elementen te onderzoeken, zoals fosfor.

Woestijnverdedigers

Het centrum van Garcia-Pichel is ook betrokken bij pogingen om biokorstgemeenschappen in woestijnomgevingen te herstellen, waar verstedelijking en andere factoren hen ernstig hebben aangetast. Hoewel deze gemeenschappen een verbazingwekkende veerkracht tonen tegen de barre omstandigheden van zowel woestijn- als poolgebieden, ze zijn zeer gevoelig voor menselijk ingrijpen, inclusief vertrappen, autoverkeer en landbouw.

Garcia-Pichel schat dat in de gebieden rond Phoenix, waar hij werkt, slechts 5 procent van de oorspronkelijke biokorsten blijft over. Verder, klimaatverandering zal niet alleen de demografie van biokorsten veranderen, die in hun samenstelling variëren naargelang de regio, maar zal sommige woestijnomgevingen te droog maken om te overleven. Het herstel van deze gemeenschappen is momenteel een uitdagende onderneming, deels wetenschap en deels kunst. De juiste mix van microbiële spelers moet aanwezig zijn voor nieuw gezaaide gemeenschappen om te overleven en te bloeien.

"Als je de korst vernietigt, je maakt de grond onstabiel en erg vatbaar voor erosie, " zegt Garcia-Pichel. "Gebieden die zijn ontbost van korsten zijn bronnen van voortvluchtig stof en zand. De natuurlijke bescherming van de woestijn is er niet, en zelfs matige wind kan een haboob doen ontstaan. We zijn de afgelopen 5 jaar gefinancierd om manieren te ontwikkelen om deze korsten te laten groeien en ze in het veld opnieuw te zaaien. Dat is een toegepast onderdeel van ons werk, dat is nieuw voor ons lab."