微生物大陆生态系统帮助种子古海

艺术家对古生菌中原始地球环境的演绎，包括众所周知的由碳酸盐沉淀微生物形成的水上叠层石。特写插图显示了现代样品照片中的陆地生物外壳，通常由丝状蓝细菌组成。这项新研究表明，这些生物结壳在早期地球的氮循环中起着至关重要的作用。

像我们的海洋一样，今天的各大洲都洋溢着生命。然而，数十亿年前，在植物出现之前，大洲就显得荒芜了。人们认为这些表面上空旷的土地形式在称为氮循环的早期生化发条中没有任何作用，氮是大多数生物赖以生存的生命。

现在，美国亚利桑那州立大学的研究员Ferran Garcia-Pichel以及法国第戎的LaboratoireBiogéosciences的Christophe Thomazo和两个实验室的前Marie Curie Postdoc的Estelle Couradeau都表明，生物土壤结皮是当今在干旱地区定居的微生物殖民地，沙漠环境-可能在地球的氮循环中起了重要作用，有助于肥沃早期海洋并在大气，大陆和海洋之间建立营养联系。

加西亚·皮切尔（Garcia-Pichel）领导基础和应用微生物学生物设计中心，并且是ASU生命科学学院的教授。最初，他是一名海洋微生物学家，他着迷于沙漠和其他缺乏植物生命的干旱地区土壤上的微生物的隐藏世界。这些活的生物硬壳具有出色的性能，在极端条件下会蓬勃发展，有助于将土壤固定在适当的位置，从而抵抗侵蚀，并为牧场和沙漠施肥。

这项新的研究发表在《自然通讯》杂志的高级在线版上，该研究表明，这些生物壳的类似物散布在地球原本荒凉的大陆上，并有助于建立我们今天所知道的生命必不可少的氮循环。

不断变化的气氛

加西亚·皮切尔（Garcia-Pichel）说：“从许多方面来说，这个真正早期的地球是一个截然不同的星球，特别是在大气成分方面。”“在有氧的光合微生物出现之前，就像今天的植物一样，蓝藻使氧气产生了氧气-大气层没有被充氧。”这个巨大的无氧时代持续了地球46亿年历史的一半。

所有这些都因地球化学家称之为“大氧化事件”而发生了变化。“这也许是地球本质上最重要的变化。摇滚记录中有这样的明显迹象，因此人们对何时发生（大约24.5亿年前）有了一个很好的主意，但传统的看法会在浅海中发生这种情况。”加西亚·皮切尔（Garcia-Pichel）说。

今天，氮气占大气层的78％。它是DNA，RNA和蛋白质（生命的关键组成部分）中的重要元素。但是，大气中发现的氮不适用于大多数生物。必须先通过所谓的氮气循环对其进行处理。当原核生物进行固氮时，会发生这种情况，从而使大气中的氮以对植物和动物生存有用的形式提供。

长期以来，人们一直认为地球历史初期出现的氮循环是由古代被称为太古代的海洋微生物引起的，但新的研究表明，大量的氮来自陆基生物土壤结壳。

转变视角

“在许多进化生物学家的脑海中，这些大陆在地球历史的早期都是无关紧要的，因为它们被认为在大约4亿年前的第一批植物出现之前一直是荒芜的。因此，所有元素如何循环的模型都基于海洋与大气之间的相互作用。”加西亚·皮切尔（Garcia-Pichel）说。

然而，最近开始出现证据表明这些大陆与它们所描绘的那片不育的陆地相距甚远。取而代之的是，类似于在当今沙漠环境中发现的生物外壳的复杂微生物群落遍布了早期大陆。它们的存在可追溯到32亿年前，远在大氧事件为寒武纪爆发奠定了基础之前-突然爆发的生命引发了世界上大多数动物的家系。

研究人员指出，如今，这类生物结皮约占地球土地的12％。它们由丝状蓝细菌组成，可以完成生物外壳的大部分碳和氮固定，并为其余的外壳微生物组提供营养，同时将土壤颗粒结合在一起，并为微生物群落提供抗腐蚀能力。

“这些社区赖以生存，”加西亚·皮切尔（Garcia-Pichel）说。“当植物进化并开始积累时，这标志着它们的灭亡。由于植物凋落物的堆积，土壤不再有光了。”但是，在早期世界中，在植物进化之前，没有什么可以阻止它们在大陆上的定殖，因为那里的生长和发育条件已经不那么苛刻了。

正如Garcia-Pichel所指出的那样，海洋和湖泊之类的水环境为化石提供了优越的条件，这使得在陆地上探测古代生物地壳殖民地更具挑战性。这可能部分解释了大陆生物外壳在整个地球历史上大部分时间都是原始的陆上生态系统的原因。

出现了新的画面

该团队对他们之前的数据进行了荟萃分析，并结合了其他有关现代生物结壳对氮循环的相关文献。结果表明，循环氮的生物结壳能够从大气中导入氮气，并能导出铵盐和硝酸盐。

定量分析表明，即使在前寒武纪大陆殖民地有限的情况下，生物结壳对地球早期氮循环的贡献也将是巨大的。

陆基生命形式（生物壳）的概念为地球早期的生物地球化学提供了重要的贡献，代表了一种重大的范式转变。新的研究应有助于确定这些微生物生物结壳在地球记录中所延伸的范围，并有助于探索它们对其他元素（如磷）循环的贡献。

沙漠捍卫者

加西亚·皮切尔（Garcia-Pichel）的研究中心还参与了沙漠化环境中生物结皮群落的恢复工作，在沙漠化中，城市化和其他因素严重恶化了它们的生存。这些社区对沙漠和极地的恶劣条件表现出惊人的抵御能力，但它们对人为干扰高度敏感，包括践踏，车辆通行和农业。

加西亚·皮切尔（Garcia-Pichel）估计，在他工作的凤凰城周围地区，只有5％的原始生物结皮仍然存在。此外，气候变化不仅会改变生物结皮的人口结构，生物结皮的组成因地区而异，还会使一些沙漠环境变得过于干旱，以至于无法生存。目前，恢复这些社区是一项具有挑战性的工作，既是科学又是艺术。必须存在正确的微生物来源组合，以使新种子社区得以生存和繁荣。

“当您破坏地壳时，会使土壤变得不稳定并极易受到侵蚀，”加西亚·皮切尔（Garcia-Pichel）说。“砍伐森林的地区是散乱的尘土和沙子的来源。沙漠没有天然的保护，甚至适度的风也可能引起恶臭。在过去的五年中，我们获得了资金，用于开发种植这些硬皮并在田间重新播种的方法。这是我们工作的一部分，对我们的实验室来说是新事物。”

出版物：Christophe Thomazo等人，“微生物大陆生态系统可能对早期地球海洋进行氮肥施肥”，《自然通讯》第9卷，文章编号：2530 (2018)