Som våra hav, dagens kontinenter är fulla av liv. Men för miljarder år sedan, före växternas tillkomst, kontinenter skulle ha framstått som karga. Dessa uppenbarligen tomma landformer ansågs inte spela någon roll i det tidiga biokemiska urverket som kallas kvävecykeln, som de flesta levande varelser är beroende av för att överleva.

Nu, ASU-forskaren Ferran Garcia-Pichel, tillsammans med Christophe Thomazo, från Laboratoire Biogéosciences i Dijon, Frankrike, och Estelle Couradeau, en före detta Marie Curie Postdoc i båda labben, visa att biologiska jordskorpor — kolonier av mikroorganismer som idag koloniserar torra, ökenmiljöer - kan ha spelat en betydande roll i jordens kvävekretslopp, hjälpa till att befrukta tidiga hav och skapa en näringslänk mellan atmosfären, kontinenter och hav.

Garcia-Pichel leder Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics och är professor vid ASU:s School of Life Sciences. Ursprungligen, en marin mikrobiolog, han blev fascinerad av den dolda värld av mikroorganismer som låg ovanpå jordar i öknar och andra torra områden utan växtliv. Dessa levande bioskorpor har anmärkningsvärda egenskaper, trivs under extrema förhållanden, hjälper till att förankra jordar på plats, så de motstår erosion, och gödslar utmarker och öknar.

Den nya forskningen, som visas i den avancerade onlineupplagan av tidskriften Naturkommunikation , antyder att analoger av dessa bioskorpor sprids över annars ödsliga kontinenter på den tidiga jorden, och bidrog till att etablera det kvävekretslopp som är avgörande för livet som vi känner det idag.

Utvecklande atmosfär

"Den här riktigt tidiga jorden var en väldigt annorlunda planet i många avseenden, särskilt i atmosfärens sammansättning, " säger Garcia-Pichel. "Innan uppkomsten av syrehaltiga fotosyntetiska mikrober, som cyanobakterier som skapade syre – precis som växter gör idag – var atmosfären inte syresatt." Denna enorma syrefria epok varade i hälften av jordens 4,6 miljarder år långa historia.

Allt detta förändrades med något som geokemister kallade den stora syrehändelsen. "Det var kanske den enskilt viktigaste förändringen i naturen av vad planeten är. Det finns tydliga tecken på detta i rockrekordet, så folk har en bra uppfattning om när detta hände - för ungefär 2,45 miljarder år sedan, men konventionell visdom skulle få detta att hända i grunda hav, säger Garcia-Pichel.

I dag, kväve utgör 78 procent av atmosfären. Det är ett viktigt element i DNA, RNA och proteiner, livets nyckelkomponenter. Men det kväve som finns i atmosfären är inte lämpligt för användning av de flesta organismer. Det måste först bearbetas, genom det som kallas kvävekretsloppet. Detta inträffar när prokaryota organismer utför kvävefixering, att göra atmosfäriskt kväve tillgängligt i en form som är användbar för växter och djur för överlevnad.

Även om det länge har antagits att kvävecykeln som uppstod tidigt i jordens historia, härrörde från oceaniska mikrober under en forntida fas känd som Archean, ny forskning tyder på att betydande mängder kväve kom från landbaserade biologiska jordskorpor.

Skiftande perspektiv

"I många evolutionära biologers medvetande, kontinenterna var irrelevanta tidigt i jordens historia, eftersom de antas ha varit ofruktbara av liv tills de första plantorna dök upp, för cirka 0,4 miljarder år sedan. Så alla modeller av hur element cirkulerade var baserade på interaktioner mellan havet och atmosfären, " säger Garcia-Pichel.

Nyligen har dock bevis började dyka upp som tydde på att kontinenterna var långt ifrån de sterila landmassor de hade framställts som. Istället, invecklade mikrobiella samhällen som liknar bioskorpor som finns i dagens ökenmiljöer, koloniserade de tidiga kontinenterna. Spår av deras närvaro dateras till 3,2 miljarder år sedan, långt innan den stora syresättningshändelsen bidrog till att sätta scenen för den kambriska explosionen – en plötslig explosion av liv som gav upphov till de flesta av världens djurfyla.

Forskarna noterar att idag, sådana bioskorpor upptar ungefär 12 procent av jordens mark. De består av filamentösa cyanobakterier, som utför det mesta av bioskorpans kol- och kvävefixering och ger näringsämnen till resten av skorpans mikrobiomet, samtidigt som jordkorn binds samman och ger mikrobiella samhällen erosionsbeständighet.

"Dessa samhällen lever på ljus, " säger Garcia-Pichel. "När växter utvecklades och började samlas, detta markerade deras bortgång. Det finns inget ljus på jorden längre på grund av ansamling av växtskräp". i en tidig värld, före växternas utveckling, det skulle inte finnas något som skulle hindra deras kolonisering av kontinenterna, där villkoren för deras tillväxt och utveckling skulle ha varit betydligt mindre hårda.

Som Garcia-Pichel noterar, vattenmiljöer som hav och sjöar ger överlägsna förutsättningar för fossilisering, gör det mer utmanande att upptäcka forntida bioskorpskolonier på land. Detta kan delvis bero på försummelsen av kontinentala biokronor som de primeavala landbaserade ekosystemen för mycket av planetens historia.

En ny bild dyker upp

Teamet genomförde en metaanalys av sina tidigare data kombinerat med annan relevant litteratur om kvävets cirkulation av moderna bioskorpor. Resultaten visar att kvävcykelbiokrust kan importera kvävgas från atmosfären och exportera ammonium och nitrat.

Kvantitativ analys tyder på att bioskorpans bidrag till kvävets kretslopp under jordens tidiga historia skulle ha varit betydande, även med begränsad kolonisering av de pre-kambriska kontinenterna.

Föreställningen om landbaserade livsformer – bioskorporna – som ger ett betydande bidrag till jordens tidiga biogeokemi representerar ett betydande paradigmskifte. Ny forskning bör hjälpa till att fastställa exakt hur långt tillbaka i jordens rekord dessa mikrobiella bioskorpor sträcker sig och hjälpa till att utforska deras bidrag till cirkulationen av andra element, som fosfor.

Ökenförsvarare

Garcia-Pichels centrum är också involverat i ansträngningar för att återställa biocrust-samhällen i ökenmiljöer, där urbanisering och andra faktorer allvarligt har försämrat dem. Även om dessa samhällen visar häpnadsväckande motståndskraft mot de svåra förhållandena i både öken- och polarområden, de är mycket känsliga för mänsklig inblandning, inklusive tramp, fordonstrafik och jordbruk.

Garcia-Pichel uppskattar att i områdena runt Phoenix, där han jobbar, endast 5 procent av de ursprungliga bioskorporna finns kvar. Ytterligare, klimatförändringarna kommer inte bara att förändra bioskorpans demografi, som varierar i sammansättning beroende på region, men kommer att göra vissa ökenmiljöer alltför torra för att de ska överleva. Att återställa dessa samhällen är för närvarande ett utmanande företag, del vetenskap och del konst. Den rätta blandningen av mikrobiella spelare måste finnas för att nyligen seedade samhällen ska överleva och blomstra.

"När du förstör skorpan, du gör jorden instabil och mycket utsatt för erosion, "Säger Garcia-Pichel." Områden som avskogas av jordskorpor är källor till flyktigt damm och sand. Det naturliga skyddet av öknen finns inte där, och även måttliga vindar kan höja en haboob. Vi har finansierats under de senaste 5 åren för att utveckla sätt att odla dessa skorpor och återsåa dem i fält. Det är en tillämpad del av vårt arbete, vilket är en ny sak för vårt labb."