Forskning publicerad i veckan av forskare från University of Wisconsin-Madison visar hur bakterier kan bryta ned fast berggrund, hoppa igång en lång förändringsprocess som skapar den mineraliska delen av jorden.

Jord, som aforismen beskriver som "det tunna skiktet på planeten som står mellan oss och svält, "är en komplex blandning av mineraler och organiska ämnen.

Problemet är detta, säger seniorförfattaren Eric Roden, en professor i geovetenskap vid UW-Madison:"Den allmänna bilden av jord visar fast berggrund några meter under ytan, sedan en fraktur, smuligt lager populärt kallat 'undergrund'. På toppen är de rika, biologiskt aktivt lager som kallas jord. Kemisk analys kopplar mineralerna i marken till berggrunden, men hur sker denna extrema omvandling? "

Syre och föreningar från växtrötter kan bryta ner berg nära ytan, men berggrunden börjar nedbrytas djupt under rötterna. Tills nu, ingen har visat biologins nyckelroll för att påskynda nedbrytningen av fast berg till mindre mineralbitar.

Dessa bitar, som innehåller grundläggande växtnäringsämnen som fosfor och kalium, är avgörande för jordens förmåga att stödja växter - och livet i den markbundna biosfären.

I Förfaranden från National Academy of Sciences Denna vecka, Roden och kollegor fann att mikrober orsakar oxidation och "vittring" i en vanlig typ av berggrund.

"Vi vet att kemiska och fysiska processer börjar spricka berggrunden, säger Roden, "men dessa processer är inte tillräckligt för att göra de mineraler som blir till jord. När berggrunden spricker tillräckligt, mikrober kommer in i sprickorna och tar över. Resultatet, enligt vårt arbete, är en snabb biologisk acceleration av vittring. "

Forskare har i årtionden undrat om och hur mikroorganismer kan engagera sig i den första nedbrytningen, men först nu har de förklarat det väsentliga trick som bakterier använder för att "äta" berggrundens övre yta, säger Roden.

Processen kretsar kring oxidation, känd som orsaken till rost i järn. Oxidation flyttar elektroner, som levererar energi till bakterierna, säger Roden. "Det vi har utvecklat är en bild av hur bakterier långsamt" mumsar "stenar för att utvinna energi utan att ta in mineralerna i sina celler."

I allmänhet, mikrober intar sin "mat" i sina celler innan de "äter" den, men de kan inte få i sig intakt berg. Så den olika gruppen bakterier som Rodens grupp identifierade i labbet använder proteiner på deras yttre yta för att flytta elektronerna.

För hennes doktorsexamen forskning, första författaren Stephanie Napieralski borrade cirka åtta meter till berggrunden i Luquillo Critical Zone Observatory i Puerto Rico. Återvänder till Madison, hon grundade prover av en sten som heter diorit, som innehåller järn. Malning var avsedd att påskynda de långsamma biokemiska reaktionerna hon hoppades få se, och påskynda tempot från geologiskt till akademiskt. Sedan ympade hon proverna med material från borrhålet, som bar en naturlig gryta av bakterier. Hon använde en steril vätska för sina jämförelseprover.

Efter ungefär två och ett halvt år i mörkret, vid rumstemperatur, elektronmikrografer visade en radikal förändring i ytstruktur - men bara om det fanns bakterier. "Oxideringshastigheten, förvittring, var långsam, men utan bakterier, det var noll, "säger Napieralski." Även om det finns viss kemisk vittring i den kritiska zonen, det var så långsamt att vi inte såg det under experimentet. "

"Enligt min åsikt, denna typ av ämnesomsättning har pågått i princip för alltid, men okänd för oss, "säger Roden." Denna upptäckt öppnar upp ett helt annat sätt att tänka på oxidativ vittring av järnhaltigt silikatberg. Vi har dansat runt detta i åratal. Stenar löstes upp, och mikrober var inblandade. Jag fortsatte att säga, 'Hur är det med den mikrobiella oxidationen av berg?' och mina kollegor sa:'Visa mig.'"

Att hitta elektronöverförande proteiner på cellmembranet är meningsfullt, säger Napieralski. "Denna biologiska uppfinning - detta protein - tillåter celler att få elektrisk kontakt med mineraler. Det gör att de kan försvagas och äta sten. Om de förde järnet in i cellerna och fick det att oxidera, de skulle vara fulla av rost. "

Eftersom experimentet förlitade sig på pulveriserad sten, den säger inte hur snabbt nedbrytningen sker i naturen. Dock, Napieralski mätte produktionen av ATP, en energiprocessmolekyl, bevisar att mikroorganismerna levde och fungerade under 30 månaders inkubation.

De järnoxiderande bakterierna som avslöjades i studien upptar en rad bakteriefyla, "vilket betyder att de är lika olika som zebror och grodor, "Säger Roden.

Även om studien fokuserade på mörkret, stabila temperaturer på toppen av berggrunden, järnoxiderande bakterier kan också spela en roll vid vittring högre upp i jorden, Säger Napieralski. "Extern elektronöverföring är ett sätt att hantera svårigheten att äta järn. En stor sak i tidningen är att visa att organismerna växte och kopplade oxidationen av järn till generationen av ATP, "energimolekylen" i alla kända typer av liv. "

En fullständig förståelse av livet kräver en redovisning av energi, Säger Roden. "Det vi har funnit är att cellerna kommer i direkt kontakt med ett annars olösligt mineral, och de drar elektroner från mineralet. De får energi av att äta sten och på vägen leverera näringsämnen till växter - för livet på jorden. "