Como nuestros océanos Los continentes de hoy están llenos de vida. Sin embargo, hace miles de millones de años antes de la llegada de las plantas, los continentes habrían parecido estériles. Se creía que estas formas de tierra aparentemente baldías no desempeñaban ningún papel en el mecanismo bioquímico temprano conocido como ciclo del nitrógeno. de la que dependen la mayoría de los seres vivos para sobrevivir.

Ahora, El investigador de ASU Ferran García-Pichel, junto con Christophe Thomazo, del Laboratoire Biogéosciences en Dijon, Francia, y Estelle Couradeau, un ex postdoctorado Marie Curie en ambos laboratorios, muestran que las costras biológicas del suelo, colonias de microorganismos que hoy colonizan las zonas áridas, entornos desérticos:puede haber jugado un papel importante en el ciclo del nitrógeno de la Tierra, ayudar a fertilizar los océanos primitivos y crear un vínculo de nutrientes entre la atmósfera, continentes y océanos.

García-Pichel dirige el Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics y es profesor en la Facultad de Ciencias de la Vida de ASU. Originalmente, un microbiólogo marino, quedó fascinado con el mundo oculto de los microorganismos que se encuentran en la superficie de los suelos en los desiertos y otras regiones áridas desprovistas de vida vegetal. Estas biocostras vivientes tienen propiedades notables, prosperando en condiciones extremas, ayudando a anclar los suelos en su lugar, para que resistan la erosión, y fertilización de pastizales y desiertos.

La nueva investigación, que aparece en la edición avanzada en línea de la revista Comunicaciones de la naturaleza , sugiere que los análogos de estas biocostras se extendieron por los continentes de la Tierra primitiva que de otro modo serían desolados, y contribuyó a establecer el ciclo del nitrógeno esencial para la vida tal como la conocemos hoy.

Atmósfera en evolución

"Esta Tierra realmente primitiva era un planeta muy diferente en muchos aspectos, particularmente en la composición de la atmósfera, "Dice García-Pichel." Antes de la aparición de microbios fotosintéticos oxigenados, como las cianobacterias que producían oxígeno, al igual que las plantas hoy en día, la atmósfera no estaba oxigenada ”. Esta vasta época sin oxígeno duró la mitad de los 4.600 millones de años de historia de la Tierra.

Todo esto cambió con algo que los geoquímicos denominan el Gran Evento de Oxigenación. "Ese fue quizás el cambio más importante en la naturaleza de lo que es el planeta. Hay signos reveladores de esto en el registro de rocas, para que la gente tenga una buena idea de cuándo sucedió esto, hace unos 2.45 mil millones de años, pero la sabiduría convencional haría que esto sucediera en océanos poco profundos ", dice García-Pichel.

Hoy dia, el nitrógeno constituye el 78 por ciento de la atmósfera. Es un elemento vital en el ADN, ARN y proteínas, los componentes clave de la vida. Pero el nitrógeno que se encuentra en la atmósfera no es adecuado para la mayoría de los organismos. Primero debe procesarse, a través de lo que se conoce como ciclo del nitrógeno. Esto ocurre cuando los organismos procariotas realizan la fijación de nitrógeno, hacer que el nitrógeno atmosférico esté disponible en una forma útil para las plantas y los animales para la supervivencia.

Si bien se ha asumido durante mucho tiempo que el ciclo del nitrógeno que surgió temprano en la historia de la Tierra, resultó de microbios oceánicos durante una fase antigua conocida como el Arcaico, Una nueva investigación sugiere que cantidades significativas de nitrógeno provienen de las costras biológicas del suelo terrestres.

Perspectiva cambiante

"En la mente de muchos biólogos evolucionistas, los continentes eran irrelevantes al principio de la historia de la Tierra, porque se supone que no tenían vida hasta que aparecieron las primeras plantas, hace alrededor de 400 millones de años. Entonces, todos los modelos de cómo se ciclaron los elementos se basaron en las interacciones entre el océano y la atmósfera, "Dice García-Pichel.

Recientemente, sin embargo, empezaron a aparecer pruebas que sugerían que los continentes estaban lejos de las masas de tierra estériles como las habían retratado. En lugar de, intrincadas comunidades microbianas similares a las biocostras que se encuentran en los entornos desérticos actuales, colonizó los primeros continentes. Los rastros de su presencia datan de hace 3.200 millones de años, mucho antes del Gran Evento de Oxigenación ayudó a preparar el escenario para la explosión del Cámbrico, un repentino estallido de vida que dio lugar a la mayoría de los filos animales del mundo.

Los investigadores señalan que hoy, tales biocostras ocupan aproximadamente el 12 por ciento de la tierra de la Tierra. Están compuestos por cianobacterias filamentosas, que realizan la mayor parte de la fijación de carbono y nitrógeno de la biocorteza y proporcionan nutrientes al resto del microbioma de la corteza, al tiempo que une los granos del suelo y proporciona a las comunidades microbianas resistencia a la erosión.

"Estas comunidades viven de la luz, "Dice García-Pichel." Cuando las plantas evolucionaron y comenzaron a acumularse, esto marcó su desaparición. Ya no hay luz en el suelo debido a la acumulación de basura vegetal ". Sin embargo, en un mundo primitivo, antes de la evolución de las plantas, nada impediría su colonización de los continentes, donde las condiciones para su crecimiento y desarrollo habrían sido considerablemente menos duras.

Como señala García-Pichel, ambientes acuosos como océanos y lagos proporcionan condiciones superiores para la fosilización, haciendo que la detección de antiguas colonias de biocorteza en tierra sea más desafiante. Esto puede explicar en parte el descuido de las biocostras continentales como los ecosistemas terrestres primigenios durante gran parte de la historia del planeta.

Emerge una nueva imagen

El equipo llevó a cabo un metanálisis de sus datos anteriores combinados con otra literatura relevante sobre el ciclo del nitrógeno por las biocostras modernas. Los resultados demuestran que las biocostras que ciclan el nitrógeno son capaces de importar nitrógeno gaseoso de la atmósfera y exportar amonio y nitrato.

El análisis cuantitativo sugiere que la contribución de la biocorteza al ciclo del nitrógeno durante la historia temprana de la Tierra habría sido significativa, incluso con una colonización limitada de los continentes precámbricos.

La noción de formas de vida terrestres, las biocostras, que proporcionan una contribución significativa a la biogeoquímica temprana de la Tierra, representa un cambio de paradigma significativo. Una nueva investigación debería ayudar a establecer qué tan atrás en el registro de la Tierra se extienden estas biocostras microbianas y ayudar a explorar sus contribuciones al ciclo de otros elementos, como el fósforo.

Defensores del desierto

El centro de García-Pichel también está involucrado en esfuerzos para restaurar las comunidades de biocorteza en ambientes desérticos, donde la urbanización y otros factores los han degradado gravemente. Si bien estas comunidades muestran una resistencia asombrosa a las duras condiciones de las regiones polares y desérticas, son muy sensibles a la interferencia humana, incluido el pisoteo, tráfico de vehículos y agricultura.

García-Pichel estima que en las áreas alrededor de Phoenix, donde él trabaja, sólo queda el 5 por ciento de las biocostras originales. Más lejos, El cambio climático no solo alterará la demografía de las biocostras, que varían en su composición según la región, pero hará que algunos entornos desérticos sean demasiado áridos para su supervivencia. La restauración de estas comunidades es actualmente una empresa desafiante, parte ciencia y parte arte. La combinación correcta de agentes microbianos debe estar presente para que las comunidades recién sembradas sobrevivan y prosperen.

"Cuando destruyes la corteza, haces que el suelo sea inestable y muy propenso a la erosión, "Dice García-Pichel." Las áreas deforestadas de costras son fuentes de polvo y arena fugitivos. La protección natural del desierto no está ahí, e incluso los vientos moderados pueden levantar un haboob. Hemos recibido fondos durante los últimos 5 años para desarrollar formas de cultivar estas costras y volver a sembrarlas en el campo. Esa es una parte aplicada de nuestro trabajo, que es algo nuevo para nuestro laboratorio ".