Cyanobakterie są pionierami pustyń wysokogórskich • Alexander Markov • Wiadomości naukowe na temat "Elementów" • Ekologia, mikrobiologia

Cyanobakterie – pionierzy górskich pustyń

Wycofujący się brzeg lodowca Puca (Puca) w peruwiańskich Andach, gdzie przeprowadzono badanie (usunięto z odległości około 8 km). Na pierwszym planie jest Jezioro Sibinacocha, 4900 m nad poziomem morza. Szczyt na horyzoncie to Mount Nevado Chumpe, znany również jako Yatunriti, który wznosi się 6106 metrów nad poziomem morza. Zdjęcia z artykułu omawianego wPostępowanie Royal Society

W wyniku topnienia lodowców wysokogórskich odsłonięte zostały obszary powierzchni ziemi, które pokrywały lodem od wielu tysiącleci. Już w pierwszych latach po wycofaniu się lodowca rozwija się bogate życie mikrobiologiczne w tych obszarach, które wyglądają zupełnie bez życia. Badanie przeprowadzone w peruwiańskich Andach wykazało, że sinice odgrywają kluczową rolę w pionierskich społecznościach drobnoustrojów. Mikroby stopniowo nasycają glebę materią organiczną i azotem, przygotowując ją do sadzenia.

Ze względu na globalne zmiany klimatyczne, lodowce alpejskie dziś szybko topnieją w wielu częściach świata, w tym w Andach. W trudnych warunkach górskich na obszarach odsłoniętych po odwrocie lodowca widoczna widoczna gołym okiem roślinność (porosty i mchy) pojawia się niekiedy dopiero po dziesięcioleciach. W tym długim okresie gleba uwolniona z niewoli lodowej wygląda zupełnie bez życia.Niemniej jednak, oczywiście, zachodzą w nim ważne procesy – ponieważ w końcu stają się odpowiednie dla roślin.

Wczesne "przed-wzrostowe" etapy sukcesji ekologicznej (tj. Rozwój ekosystemu) w takich miejscach były dotychczas badane bardzo mało. Dostępne fragmentaryczne informacje pozwoliły naukowcom zasugerować trzy możliwe mechanizmy stopniowego przekształcania praktycznie sterylnej gleby w glebę odpowiednią do życia roślin.

Zgodnie z pierwszą hipotezą podstawą rozwoju życia są starożytne substancje organiczne, zachowane w ziemi od czasów przedlęgowych. W takim przypadku pierwsi masowi mieszkańcy takich gleb powinni być heterotroficznymi (żywiąca się gotową materią organiczną) mikroorganizmami.

Druga hipoteza sugeruje, że materia organiczna wchodzi do tych gleb razem z pyłkiem, zarodnikami niższych roślin i grzybów oraz innymi drobnymi obiektami o charakterze organicznym przenoszonymi przez wiatr. Zgodnie z tą wersją, pierwsi osadnicy wysokich górskich pustyń powinni być również drobnoustrojami heterotroficznymi żywiącymi się materią organiczną wprowadzoną przez wiatr.

Wreszcie trzecia hipoteza sugeruje, że wspólnoty autotroficzne (fotosyntetyzacja,wytwarzanie drobnoustrojów z dwutlenku węgla), głównie cyjanobakterii. Mikroby te odgrywają ważną rolę w stopniowym wzbogacaniu gleb wysokogórskich.

Oczywiście te hipotezy nie wykluczają się wzajemnie: wszystkie trzy mechanizmy mogą działać jednocześnie, jedyne pytanie brzmi, który z nich jest ważniejszy.

Grupa amerykańskich badaczy kierowana przez Steve'a Schmidta (Steve Schmidt) z University of Colorado w Boulder (University of Colorado w Boulder) szczegółowo studiowała pierwsze etapy rozwoju życia w glebach odsłoniętych podczas topnienia lodowców na wyżynach peruwiańskich Andów (a dokładniej w Cordillera de Vilcanota). , w południowo-wschodniej części Peru, na granicy departamentów Cusco i Puno, 80 km na południowy-wschód od miasta Cusco). W tych miejscach rozwój roślin jest niezwykle trudny ze względu na suchy i zimny klimat, niskie ciśnienie atmosferyczne i twarde promieniowanie ultrafioletowe. Warunki tutaj są tak surowe, że są porównywane z zamarzniętymi "suchymi dolinami" Antarktydy, a nawet Marsa. Nic dziwnego, że w tych regionach odsłonięta gleba pozostaje bez życia nawet 80 lat po wycofaniu się lodowca.

W kontynuacji okresu obserwacji, który rozpoczął się w 2000 r., Lodowiec Puca (Puca), w którym pracowali naukowcy, cofał się średnio o 20 m rocznie.Naukowcy znali także położenie granicy lodowca w bardziej odległej przeszłości – w 1931 r. (W tym czasie lodowiec cofał się nieco wolniej – około 14 m na rok). To pozwoliło nam pobrać serię próbek gleby o dokładnie znanym "wieku": 0, 1, 4 i 79 lat od czasu, kiedy opuścili lód.

Kompleksowe badanie próbek wykazało, że spośród trzech możliwych scenariuszy wstępnego zasiedlania martwej gleby wymienionej powyżej, ostatnie i trzecie są najbliższe rzeczywistości, zgodnie z którymi pierwsze etapy sukcesji ekologicznej nie wynikają ze starożytnej materii organicznej lub pyłku przenoszonego przez wiatr, ale z powodu aktywności żywej i aktywnej społeczności fotosyntetycznej mikroorganizmy.

Analiza fragmentów DNA wyizolowanych z próbek wykazała, że ​​bezpośrednio po wycofaniu się lodowca w ziemi występują tylko trzy typy cyjanobakterii. Wszyscy oni są bliskimi krewnymi tych gatunków, które wcześniej znajdowały się w "suchych dolinach" Antarktydy. Obraz zmienia się radykalnie w ciągu najbliższych 4 lat. W tym czasie rozwija się w glebie bogata i zróżnicowana społeczność drobnoustrojów, w tym co najmniej 20 odmian cyjanobakterii.Niektóre z nich należą do grup nieznanych nauce, inne są związane z sinicami występującymi w górnych warstwach gleb pustynnych, inne należą do szeroko rozpowszechnionych, prawie powszechnych rodzajów. Nostoc i Anabaena, znany ze swojej zdolności do szybkiego i skutecznego wychwytywania azotu atmosferycznego (to znaczy przekształcania go w formę odpowiednią do wykorzystania przez żywe komórki). O zdolności sinic do wiązania azotu, patrz: Cyanobacteria łączą się w fotosyntezie jednej komórki i utrwalaniu azotu atmosferycznego, "Elements", 01.02.2006; Aby zmniejszyć bilans azotowy, konieczne jest prawidłowe obliczenie fitoplanktonu "Elementy", 06/15/2006.

Naukowcy dokładnie mierzyli zawartość azotu w próbkach, a także szybkość ich utrwalania. Okazało się, że w pierwszym roku po wycofaniu się lodowca gleba zawiera bardzo niewiele azotu, a jego wskaźnik fiksacji jest niski (około 0,8 μg na metr kwadratowy na godzinę). Następnie intensywność wiązania azotu zaczyna gwałtownie wzrastać i osiąga maksimum w czwartym roku (37 μg). Następnie proces wiązania azotu spowalnia nieco (do 18 μg na metr kwadratowy na godzinę, 79 lat po opuszczeniu lodowca). Jeśli chodzi o nasycenie gleby azotem, nie zmniejsza się,i stale rośnie w ciągu całego badanego przedziału czasowego: od wartości bliskiej zeru w pierwszym roku do 600 mikrogramów na gram suchej gleby w 79 lat. Wydaje się, że na początkowych etapach rozwoju wspólnoty sinicowej dominują formy zdolne do skutecznego wiązania azotu. W przyszłości, gdy gleba jest wzbogacana azotem, te cyjanobakterie są częściowo zastępowane przez inne, wykorzystując nagromadzone rezerwy związków azotowych.

Podczas sukcesji wzrasta nie tylko różnorodność cyjanobakterii, ale także ich obfitość i biomasa. Dowodem na to jest szczególnie szybki wzrost zawartości chlorofilu i niektórych innych pigmentów charakterystycznych dla cyjanobakterii w próbkach.

Naukowcy odkryli również, że zawartość materii organicznej w glebie gwałtownie wzrasta wraz z upływem czasu, a zbiór wykrytych związków organicznych jest w pełni zgodny z założeniem pochodzenia cyjanobakterii. Jeśli wczesne etapy sukcesji ekologicznej zostały przeprowadzone przy aktywnym udziale drobnoustrojów heterotroficznych spożywających organiczne lub przynoszone przez wiatr substancje organiczne, nie można by oczekiwać wzrostu, ale zmniejszenie stężenia substancji organicznych w glebie (a przynajmniej wzrost nie byłby tak szybki)Tak, a skład materii organicznej w tym przypadku byłby zupełnie inny. Na glebach "młodych" (wiek 0, 1 i 4 lata) praktycznie nie ma substancji powstających podczas rozkładu materii organicznej pochodzenia roślinnego (na przykład pyłku). Wszelkie zauważalne ilości takich substancji stwierdzono tylko w 79-letnich próbkach. Oznacza to, że substancje organiczne wnoszone przez wiatr gromadzą się powoli i nie mogą być czynnikiem decydującym we wczesnych stadiach sukcesji.

Analizy przeprowadzone przez naukowców nie pozwalają na uzyskanie pełnych list wszystkich drobnoustrojów obecnych w badanych glebach. W niniejszym artykule położono nacisk na cyjanobakterie. Na przykład w analizie DNA zastosowano techniki do wykrywania jedynie obecności genów cyjanobakterii (czyli genów rRNA 16S). Równocześnie jednak badacze zwrócili uwagę na geny 16S rRNA obecne w genomach chloroplastu jednokomórkowych glonów okrzemkowych. Wiadomo, że chloroplasty roślin są potomkami symbiotycznych cyjanobakterii. Zatem geny 16S rRNA w chloroplastach i cyjanobakteriach są bardzo podobne do siebie i są złowione na tej samej "przynęcie" (to jest na tych samych primerach, patrz: reakcja łańcuchowa polimerazy).Okazało się, że niewielka ilość okrzemek jest już obecna w "najmłodszych" glebach, aw przyszłości ich liczba znacznie wzrośnie. Nie można zidentyfikować okrzemek z próbek w wieku poniżej 1 roku – są to niektóre nieznane okrzemki w nauce. Następnie w glebie powstaje okrzemek. Nitzschia frustulum – gatunki wcześniej znalezione w lodzie antarktycznym.

Aby ocenić dynamikę rozwoju drobnoustrojów heterotroficznych, naukowcy zmierzyli w próbkach aktywność fosfataz, peptydaz i celulaz, czyli tych enzymów, przy pomocy których bakterie zwykle "trawią" różne związki organiczne. Okazało się, że na "najmłodszych" glebach (0 i 1 rok) aktywność tych enzymów jest bardzo niska. Aktywność fosfatazy i peptydazy wzrasta znacząco w 4-letnich próbkach i nadal rośnie. Enzymy tych dwóch klas można stosować do rozkładu materii organicznej dowolnego pochodzenia, w tym bakterii. Aktywność celulazy, enzymu niezbędnego do rozkładu materii organicznej pochodzenia roślinnego, została zarejestrowana tylko w "najstarszych" (79-letnich) glebach. Wyniki te są zgodne z tym, co wspomniano powyżej, o bardzo powolnym gromadzeniu się substancji organicznych roślinnych (na przykład pyłków) przynoszonych przez wiatr.

Ogólnie rzecz biorąc, wyniki przekonująco pokazują, że prawdziwymi pionierami wysokich górskich pustyń, które tworzą się w miejscu topnienia lodowców są cyjanobakterie. Odgrywają one główną rolę w wzbogacaniu martwej gleby materią organiczną i azotem. Mikroby heterotroficzne, pradawne substancje organiczne i pyłki przynoszone przez wiatr mają znaczenie drugorzędne.

Autorzy stwierdzili również, że gleby, które wyłoniły się spod lodowca, w końcu stają się mniej płynne i silniejsze. Najprawdopodobniej jest to również wyjaśnione przez aktywność cyjanobakterii – wiadomo, że te drobnoustroje wydzielają duże ilości klejów, które mogą razem trzymać cząstki gleby. Tak więc sinice nie tylko wzbogacają glebę w składniki odżywcze, ale także chronią ją przed erozją.

Źródło: S. K. Schmidt i in. Najstarsze stadia sukcesji ekosystemów na wysokich wysokościach (5000 metrów nad poziomem morza), gleby niedawno zdegradowane // Postępowanie Royal Society B: Biological Sciences. 2008. doi: 10.1098 / rspb.2008.0808 (opublikowane online).

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: