Come i nostri oceani, i continenti di oggi sono pieni di vita. Eppure miliardi di anni fa, prima dell'avvento delle piante, i continenti sarebbero apparsi sterili. Si credeva che queste forme di terreno apparentemente vuote non avessero alcun ruolo nel primo meccanismo biochimico noto come ciclo dell'azoto, da cui la maggior parte degli esseri viventi dipende per la sopravvivenza.

Ora, Il ricercatore dell'ASU Ferran Garcia-Pichel, insieme a Christophe Thomazo, dal Laboratoire Biogéosciences di Digione, Francia, ed Estelle Couradeau, un ex Marie Curie Postdoc in entrambi i laboratori, mostrano che le croste biologiche del suolo, colonie di microrganismi che oggi colonizzano aree aride, ambienti desertici, potrebbero aver giocato un ruolo significativo nel ciclo dell'azoto terrestre, contribuendo a fertilizzare i primi oceani e a creare un legame nutritivo tra atmosfera, continenti e oceani.

Garcia-Pichel dirige il Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics ed è professore alla School of Life Sciences dell'ASU. Originariamente, un microbiologo marino, rimase affascinato dal mondo nascosto dei microrganismi che giaceva sopra i terreni nei deserti e in altre regioni aride prive di vita vegetale. Queste biocroste viventi hanno proprietà notevoli, prosperare in condizioni estreme, contribuendo ad ancorare i terreni in posizione, così resistono all'erosione, e fertilizzare pascoli e deserti.

La nuova ricerca, che appare nell'edizione online avanzata della rivista Comunicazioni sulla natura , suggerisce che analoghi di queste biocroste si diffondono in continenti altrimenti desolati della Terra primitiva, e ha contribuito a stabilire il ciclo dell'azoto essenziale per la vita come la conosciamo oggi.

Atmosfera in evoluzione

"Questa Terra primitiva era un pianeta molto diverso sotto molti aspetti, soprattutto nella composizione dell'atmosfera, " Dice Garcia-Pichel. "Prima della comparsa dei microbi fotosintetici ossigenati, come i cianobatteri che producono ossigeno, proprio come fanno oggi le piante, l'atmosfera non era ossigenata." Questa vasta epoca senza ossigeno durò per metà dei 4,6 miliardi di anni di storia della Terra.

Tutto questo è cambiato con qualcosa che i geochimici chiamano il Grande Evento di Ossigenazione. "Questo è stato forse il singolo cambiamento più importante nella natura di ciò che è il pianeta. Ci sono segni rivelatori di questo nel disco rock, quindi le persone hanno una buona idea di quando è successo, circa 2,45 miliardi di anni fa, ma la saggezza convenzionale vorrebbe che questo accadesse negli oceani poco profondi", afferma Garcia-Pichel.

Oggi, l'azoto costituisce il 78% dell'atmosfera. È un elemento vitale nel DNA, RNA e proteine, le componenti fondamentali della vita. Ma l'azoto che si trova nell'atmosfera non è adatto all'uso da parte della maggior parte degli organismi. Deve prima essere elaborato, attraverso il cosiddetto ciclo dell'azoto. Ciò si verifica quando gli organismi procarioti effettuano la fissazione dell'azoto, rendendo disponibile l'azoto atmosferico in una forma utile alle piante e agli animali per la sopravvivenza.

Mentre è stato a lungo ipotizzato che il ciclo dell'azoto sorto all'inizio della storia della Terra, derivato da microbi oceanici durante un'antica fase nota come Archean, una nuova ricerca suggerisce che quantità significative di azoto provenissero da croste biologiche del suolo terrestre.

Cambiare prospettiva

"Nella mente di molti biologi evoluzionisti, i continenti erano irrilevanti all'inizio della storia della Terra, perché si presume che siano stati sterili di vita fino alla comparsa delle prime piante, circa 0,4 miliardi di anni fa. Quindi tutti i modelli di come gli elementi venivano ciclati erano basati sulle interazioni tra l'oceano e l'atmosfera, " dice Garcia-Pichel.

Recentemente però, cominciarono ad apparire prove che suggerivano che i continenti erano lontani dalle sterili masse di terra come erano stati descritti. Anziché, intricate comunità microbiche simili alle biocroste trovate negli ambienti desertici odierni, colonizzò i primi continenti. Tracce della loro presenza risalgono a 3,2 miliardi di anni fa, ben prima del Grande Evento di Ossigenazione, ha contribuito a preparare il terreno per l'esplosione del Cambriano, un'improvvisa esplosione di vita che ha dato origine alla maggior parte dei phyla animali del mondo.

I ricercatori osservano che oggi, tali biocroste occupano circa il 12% della superficie terrestre. Sono composti da cianobatteri filamentosi, che svolgono la maggior parte della fissazione del carbonio e dell'azoto della biocrosta e forniscono nutrienti al resto del microbioma della crosta, legando insieme i grani del suolo e fornendo alle comunità microbiche resistenza all'erosione.

"Queste comunità vivono di luce, " Dice Garcia-Pichel. "Quando le piante si sono evolute e hanno iniziato ad accumularsi, questo segnò la loro scomparsa. Non c'è più luce sul terreno a causa dell'accumulo di rifiuti vegetali". Tuttavia, in un mondo antico, prima dell'evoluzione delle piante, non ci sarebbe nulla che impedisse la loro colonizzazione dei continenti, dove le condizioni per la loro crescita e sviluppo sarebbero state notevolmente meno dure.

Come osserva Garcia-Pichel, ambienti acquosi come oceani e laghi forniscono condizioni superiori per la fossilizzazione, rendendo più difficile l'individuazione di antiche colonie di biocroste sulla terra. Ciò può spiegare in parte l'abbandono delle biocroste continentali come ecosistemi primordiali terrestri per gran parte della storia del pianeta.

Emerge una nuova immagine

Il team ha effettuato una meta-analisi dei dati precedenti combinati con altra letteratura pertinente sul ciclo dell'azoto da parte delle moderne biocroste. I risultati dimostrano che le biocroste che riciclano l'azoto sono in grado di importare gas azoto dall'atmosfera ed esportare ammonio e nitrato.

L'analisi quantitativa suggerisce che il contributo della biocrosta al ciclo dell'azoto durante le prime fasi della storia della Terra sarebbe stato significativo, anche con limitata colonizzazione dei continenti pre-cambrici.

La nozione di forme di vita terrestri - le biocroste - che forniscono un contributo significativo alla prima biogeochimica della Terra rappresenta un significativo cambiamento di paradigma. Una nuova ricerca dovrebbe aiutare a stabilire fino a che punto nella storia della Terra si estendono queste biocroste microbiche e aiutare a esplorare i loro contributi al ciclo di altri elementi, come il fosforo.

Difensori del deserto

Il centro di Garcia-Pichel è anche coinvolto negli sforzi per ripristinare le comunità di biocroste in ambienti desertici, dove l'urbanizzazione e altri fattori li hanno gravemente degradati. Sebbene queste comunità mostrino una straordinaria capacità di resistenza alle dure condizioni sia del deserto che delle regioni polari, sono molto sensibili alle interferenze umane, compreso il calpestamento, traffico veicolare e agricoltura.

Garcia-Pichel stima che nelle aree intorno a Phoenix, dove lavora, rimane solo il 5 percento delle biocroste originali. Ulteriore, il cambiamento climatico non solo modificherà i dati demografici delle biocroste, che variano nella loro composizione a seconda della regione, ma renderà alcuni ambienti desertici troppo aridi per la loro sopravvivenza. Il ripristino di queste comunità è attualmente un'impresa impegnativa, in parte scienza e in parte arte. Il giusto mix di attori microbici deve essere presente affinché le comunità appena seminate sopravvivano e prosperino.

"Quando distruggi la crosta, rendi il terreno instabile e molto soggetto all'erosione, " Garcia-Pichel dice. "Le aree disboscate di croste sono fonti di polvere e sabbia fuggitive. La protezione naturale del deserto non c'è, e anche i venti moderati possono sollevare un haboob. Siamo stati finanziati negli ultimi 5 anni per sviluppare modi per coltivare queste croste e riseminarle sul campo. Questa è una parte applicata del nostro lavoro, che è una novità per il nostro laboratorio."