Cianobacteriile sunt pionieri ai deșerturilor de munte înalte • Alexander Markov • Știință științifică despre "Elemente" • Ecologie, Microbiologie

Cyanobacterii – pionieri ai deșerturilor de pe dealuri

Marginea de retragere a ghețarului Puca (Puca) din Anii peruani, unde a fost efectuat studiul (eliminat de la o distanță de aproximativ 8 km). În prim plan se află Lacul Sibinacocha, la 4900 m deasupra nivelului mării. Vârful de pe orizont este Muntele Nevado Chumpe, cunoscut și sub numele de Yatunriti, care se ridică la 6106 de metri deasupra nivelului mării. Fotografii din articolul discutat înProcesele Societății Regale

Ca urmare a topirii ghețarilor de munte, sunt expuse zone ale pământului, care au fost acoperite de gheață timp de mai multe milenii. În aceste zone, aparent fără viață, în primii ani după retragerea ghețarului se dezvoltă o viață microbiană bogată. Un studiu efectuat în Anii peruani a arătat că cianobacteriile joacă un rol-cheie în pionieratul comunităților microbiene. Microbii saturează treptat solul cu materie organică și azot, pregătindu-l pentru plantare.

Datorită schimbărilor climatice globale, ghețarii alpini se topesc rapid în multe părți ale lumii, inclusiv în Anzi. În condițiile dure ale înalților pe zonele expuse după retragerea ghețarului, vegetația vizibilă (lichenii și mușchii) vizibilă cu ochiul liber uneori apare doar după decenii. În această perioadă lungă de timp, solul eliberat din captivitatea gheții pare complet lipsit de viață.Cu toate acestea, există anumite procese importante în ea, desigur, pentru că în final devine adecvată pentru plante.

Etapele "pre-creștere" timpurii ale succesiunii ecologice (adică dezvoltarea ecosistemului) în astfel de locuri au fost studiate foarte puțin până în prezent. Informațiile fragmentare disponibile le-au permis oamenilor de știință să sugereze trei mecanisme posibile pentru transformarea treptată a unui sol practic steril în sol adecvat pentru viața plantelor.

Conform primei ipoteze, baza pentru dezvoltarea vieții este organica veche, păstrată în pământ încă din epoca preglațională. În acest caz, primii locuitori de masă ai unor astfel de soluri ar trebui să fie heterotrofați (alimentați cu materii organice gata preparate).

A doua ipoteză sugerează că materia organică intră în aceste soluri împreună cu polenul, sporii de plante și ciuperci inferioare și alte obiecte mici de natură organică purtate de vânt. Potrivit acestei versiuni, primii coloniști ai deșerturilor de munte ar trebui, de asemenea, să fie microbi heterotrofi care se hrănesc cu materii organice aduse de vânt.

În cele din urmă, a treia ipoteză sugerează că comunitățile autotrofice (fotosinteza,producătoare de organici din dioxid de carbon) microbi, în primul rând cianobacterii. Acești microbi joacă un rol major în îmbogățirea treptată a solurilor de munte înalte.

Desigur, aceste ipoteze nu se exclud reciproc: toate cele trei mecanisme pot funcționa simultan, singura întrebare este care dintre acestea este mai importantă.

Un grup de cercetători americani condus de Steve Schmidt de la Universitatea din Colorado din Boulder, a studiat în detaliu primele etape ale dezvoltării vieții în solurile expuse în timpul topirii ghețarilor din zonele muntoase ale Andeanelor peruane (mai exact în Cordillera de Vilcanota , în partea de sud-est a Peru, la granița departamentelor Cusco și Puno, la 80 km sud-est de orașul Cusco). În aceste locuri, dezvoltarea plantelor este extrem de dificilă datorită climatului uscat și rece, presiunii atmosferice scăzute și radiațiilor ultraviolete dure. Condițiile de aici sunt atât de dure încât sunt comparate cu "văile uscate" înghețate din Antarctica și chiar cu Marte. Nu este surprinzător faptul că în aceste regiuni solul expus rămâne fără viață chiar și 80 de ani după retragerea ghețarului.

În continuarea perioadei de observație, care a început în 2000, ghețarul din Puca (Puca), unde oamenii de știință au lucrat, sa retras în medie cu 20 de metri pe an.Oamenii de știință știau, de asemenea, poziția limitei ghețarului în trecutul mai îndepărtat – în 1931 (la acel moment ghețarul sa retras puțin mai încet – aproximativ 14 m pe an). Acest lucru ne-a permis să luăm o serie de probe de sol cu ​​"vârsta" exact cunoscută: 0, 1, 4 și 79 de ani de la momentul în care au părăsit gheața.

Un studiu cuprinzător al probelor a arătat că dintre cele trei scenarii posibile pentru soluționarea inițială a solului fără viață enumerate mai sus, ultimul și al treilea sunt cele mai apropiate de realitate, potrivit cărora primele etape ale succesiunii ecologice nu se datorează materiei organice vechi sau polenului adus de vânt, ci datorită activității comunității fotosintetice vii și active microorganisme.

Analiza fragmentelor ADN izolate din probe a arătat că imediat după retragerea ghețarului în sol există doar trei tipuri de cianobacterii. Toți aceștia sunt rude apropiate ale acelor specii care au fost găsite anterior în "văile uscate" ale Antarcticii. Imaginea se schimbă radical în următorii 4 ani. În acest timp, o comunitate microbiană bogată și diversă se dezvoltă în sol, incluzând cel puțin 20 de varietăți de cianobacterii.Unele dintre ele aparțin unor grupuri necunoscute științei, altele sunt legate de cianobacterii găsite în straturile superioare ale solurilor deșertice, altele aparțin unor gene răspândite, aproape omniprezente Nostoc și Anabaena, cunoscută pentru abilitatea sa de a capta rapid și eficient azotul atmosferic (adică transforma-l într-o formă adecvată pentru utilizarea de către celulele vii). Pe capacitatea cianobacteriilor de fixare a azotului, a se vedea: Cianobacteriile combină într-o singură celulă fotosinteza și fixarea azotului atmosferic, "Elements", 01.02.2006; Pentru a reduce balanța de azot, este necesar să se calculeze corect fitoplanctonul, "Elemente", 15.06.2006.

Oamenii de știință au măsurat cu atenție conținutul de azot din probe, precum și rata fixării sale. Sa dovedit că în primul an după retragerea ghețarului solul conține azot foarte puțin, iar rata de fixare este scăzută (aproximativ 0,8 μg pe metru pătrat pe oră). Apoi, intensitatea fixării azotului începe să crească rapid și atinge un maxim în al patrulea an (37 μg). Ulterior, procesul de fixare a azotului încetinește oarecum (până la 18 μg pe metru pătrat pe oră, la 79 de ani după ce ghețarul a plecat). În ceea ce privește saturarea solului cu azot, acesta nu scade,și continuă să crească constant pe întreaga perioadă de timp studiată: de la valori apropiate de zero în primul an până la 600 micrograme pe gram de sol uscat în 79 de ani. Aparent, în stadiile inițiale ale dezvoltării comunității cianobacteriene, este dominată de forme capabile să fixeze eficient azotul. În viitor, deoarece solul este îmbogățit cu azot, aceste cianobacterii sunt parțial înlocuite de alții, folosind rezervele acumulate de compuși azotați.

În timpul succesiunii, nu numai diversitatea cianobacteriilor solului crește, ci și abundența lor totală și biomasa. Acest lucru este evidențiat, în special, de creșterea rapidă a conținutului de clorofile și a altor pigmenți caracteristice cianobacteriilor din eșantioane.

Oamenii de stiinta au descoperit de asemenea ca continutul de materie organica din sol creste rapid in timp, iar setul de compusi organici detectati este pe deplin compatibil cu ipoteza originii lor cianobacteriene. Dacă etapele timpurii ale succesiunii ecologice s-au desfășurat cu participarea activă a microbilor heterotrofi care consumă organice organice sau aduse de vânt, nu se așteaptă o creștere, ci o scădere a concentrației de substanțe organice în sol (sau, cel puțin, creșterea nu ar fi atât de rapidă)Da, și compoziția materiei organice în acest caz ar fi complet diferită. În solurile "tinere" (vârste 0, 1 și 4 ani) nu se formează practic substanțe în timpul descompunerii materiei organice de origine vegetală (de exemplu, polen). Orice cantitate vizibilă de astfel de substanțe se găsește numai în eșantioane de 79 de ani. Aceasta înseamnă că organicele aduse de vânt se acumulează încet și cu greu pot fi un factor determinant în primele etape ale succesiunii.

Analizele efectuate de cercetători nu permit obținerea listelor complete ale tuturor microbilor prezenți în solurile studiate. În această lucrare, accentul a fost pus pe cianobacterii. De exemplu, în analiza ADN-ului, tehnicile au fost utilizate pentru a detecta numai prezența genelor cianobacteriene (și anume, genele 16S rRNA). În același timp, totuși, genele 16S rRNA prezente în genomurile cloroplastice ale algelor diatomice cu o singură celulă au ajuns, de asemenea, în atenția cercetătorilor. Cloroplastele de plante sunt cunoscute ca descendenți ai cianobacteriilor simbiotice. Prin urmare, genele 16S rRNA din cloroplaste și cianobacterii sunt foarte asemănătoare unul cu celălalt și sunt prinse pe aceeași "momeală" (adică pe aceleași primeri, vezi reacția în lanț a polimerazei).Sa constatat că o mică cantitate de diatomee este deja prezentă în "cele mai tinere" soluri, iar în viitor numărul lor crește semnificativ. Nu au putut fi identificate diatele din eșantioane cu vârsta sub 1 an – acestea sunt unele diatome necunoscute în știință. Apoi se dezvoltă o diatomă în sol. Nitzschia frustulum – specie găsită anterior în gheața din Antarctica.

Pentru a evalua dinamica dezvoltării microbilor heterotrofi, oamenii de știință au măsurat în eșantioane activitatea fosfatazelor, peptidazelor și cellulaselor, adică acele enzime cu ajutorul cărora bacteriile "digestesc" de obicei diferiți compuși organici. Sa constatat că în cele mai "cele mai tinere" soluri (0 și 1 an) activitatea acestor enzime este foarte scăzută. Activitatea fosfatazei și peptidazei crește semnificativ în probele de 4 ani și continuă să crească. Enzimele acestor două clase pot fi folosite pentru a descompune materia organică de orice origine, inclusiv bacteriană. Activitatea celluzei, o enzimă necesară pentru descompunerea materiei organice de origine vegetală, a fost înregistrată numai în "cele mai vechi" (79 de ani) soluri. Aceste rezultate sunt în concordanță cu ceea ce sa menționat mai sus despre acumularea foarte lentă de organice vegetale (de exemplu, polen) aduse de vânt.

În general, rezultatele arată în mod convingător că adevărații pionieri ai deșerturilor de munte care se formează la locul ghețarilor topiți sunt cianobacterii. Ele joacă un rol major în îmbogățirea solului fără viață cu materie organică și azot. Microbii heterotrofi, organele vechi și polenul adus de vânt sunt de o importanță secundară.

Autorii au constatat, de asemenea, că solurile care au apărut sub ghețar devin în cele din urmă mai puțin fluide și mai puternice. Cel mai probabil, acest lucru se explică și prin activitatea cianobacteriilor – se știe că acești microbi secretă cantități mari de adezivi care pot ține împreună particulele de sol. Astfel, cianobacteriile nu numai că îmbogățesc solul cu substanțe nutritive, dar, de asemenea, îl protejează de eroziune.

Sursa: S. K. Schmidt și colab. Cele mai timpurii etape ale succesiunii ecosistemelor în soluri de înaltă înălțime (la 5000 m deasupra nivelului mării), soluri recent deglaționate Procesele Societății Regale B: Științe biologice. 2008. doi: 10.1098 / rspb.2008.0808 (publicat online).

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

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