Исследование, опубликованное на этой неделе учеными Университета Висконсин-Мэдисон, показывает, как бактерии могут разлагать твердую породу, запуская длительный процесс изменения, который создает минеральную часть почвы.
Почва, которую афоризм описывает как «тот тонкий слой на планете, который стоит между нами и голодом», представляет собой сложную мешанину из минералов и органики.
Проблема вот в чем, говорит старший автор Эрик Роден, профессор геолого-геофизических исследований в Университете Вашингтона в Мэдисоне: «Общая картина почвы показывает твердую коренную породу на несколько метров ниже поверхности, а затем трещиноватый, рассыпчатый слой, обычно называемый « недра. Наверху находится богатый биологически активный слой, называемый почвой. Химический анализ связывает минералы в почве с коренной породой, но как происходит эта экстремальная трансформация?"
Кислород и соединения из корней растений могут разлагать горные породы вблизи поверхности, но коренная порода начинает разлагаться глубоко под корнями. До сих пор никто не показал ключевую роль биологии в ускорении разложения твердой породы на более мелкие минеральные частицы.
Эти частицы, содержащие основные питательные вещества для растений, такие как фосфор и калий, имеют решающее значение для способности почвы поддерживать растения и жизнь в земной биосфере.
В Proceedings of the National Academy of Sciences на этой неделе (16 декабря 2019 г.) Роден и его коллеги обнаружили, что микробы вызывают окисление и «выветривание» в обычных породах.
«Мы знаем, что химические и физические процессы начинают растрескивать коренные породы, - говорит Роден, - но этих процессов недостаточно для образования минералов, которые становятся почвой. Как только коренная порода достаточно растрескивается, микробы проникают в трещины и берут верх. Результатом, согласно нашей работе, является быстрое биологическое ускорение выветривания».
Ученые десятилетиями задавались вопросом, могут ли и каким образом микроорганизмы участвовать в первоначальном распаде, но только сейчас они объяснили основной трюк, который используют бактерии, чтобы «съесть» верхнюю поверхность коренной породы, говорит Роден.
Процесс вращается вокруг окисления, известного как причина ржавчины в железе. Окисление приводит в движение электроны, которые снабжают бактерии энергией, говорит Роден. «То, что мы получили, - это картина того, как бактерии медленно «пережевывают» горные породы для извлечения энергии, не забирая минералы в свои клетки».
В общем, микробы проглатывают свою «пищу» в свои клетки, прежде чем они «съедят» ее, но они не могут проглотить неповрежденный камень. Таким образом, разнообразная группа бактерий, которую группа Родена идентифицировала в лаборатории, использует белки на своей внешней поверхности для перемещения электронов.
Для своего докторского исследования первый автор Стефани Напиральски пробурила около восьми метров до коренной породы в обсерватории критической зоны Лукильо в Пуэрто-Рико. Вернувшись в Мэдисон, она измельчила образцы породы под названием диорит, которая содержит двухвалентное железо. Измельчение предназначалось для ускорения медленных биохимических реакций, которые она надеялась увидеть, и для ускорения перехода от геологических к академическим. Затем она инокулировала образцы материалом из пробуренной скважины, которая содержала естественную смесь бактерий. Она использовала стерильную жидкость для своих сравнительных образцов.
После двух с половиной лет пребывания в темноте при комнатной температуре электронные микрофотографии показали радикальное изменение текстуры поверхности, но только при наличии бактерий. «Скорость окисления, выветривания была низкой, но без бактерий она была нулевой», - говорит Напиральски. «Хотя в критической зоне есть некоторое химическое выветривание, оно было настолько медленным, что мы его не заметили во время эксперимента."
«По моему мнению, этот тип метаболизма существовал практически всегда, но нам он неизвестен», - говорит Роден. «Это открытие открывает совершенно другой взгляд на окислительное выветривание железистых силикатных пород. Мы танцевали вокруг этого в течение многих лет. Камни растворялись, и в этом участвовали микробы. Я все время говорил: «А как насчет микробного окисления породы? ' и мои коллеги сказали: «Покажи мне».
Размещение белков, передающих электроны, на клеточной мембране имеет смысл, говорит Напиральски. «Это биологическое изобретение - этот белок - позволяет клеткам вступать в электрический контакт с минералами. Он позволяет им ослабевать и поедать камни. Если бы они действительно вводили железо внутрь клеток и вызывали его окисление, они были бы полны ржавчины».
Поскольку в эксперименте использовалась измельченная горная порода, в нем не указано, насколько быстро происходит разложение в природе. Однако Напиральски измерил выработку АТФ, молекулы, обрабатывающей энергию, доказав, что микроорганизмы были живы и работали в течение 30-месячной инкубации..
Железоокисляющие бактерии, обнаруженные в ходе исследования, относятся к целому ряду бактериальных типов, «что означает, что они так же различны, как зебры и лягушки», - говорит Роден.
Хотя исследование было сосредоточено на темных, стабильных температурах, наблюдаемых в верхней части коренной породы, железоокисляющие бактерии также могут играть роль в выветривании выше в почве, говорит Напиральски. «Внешний перенос электронов - это способ справиться с трудностями, связанными с поеданием железа. В статье показано, что организмы росли и связывали окисление железа с образованием АТФ, «энергетической молекулы» во всех известных типах жизнь."
Полное понимание жизни требует учета энергии, говорит Роден. «Мы обнаружили, что клетки вступают в прямой контакт с нерастворимым минералом и вытягивают из него электроны. Они получают энергию, поедая камень, и попутно снабжают растения питательными веществами - для жизни на Земле»."