La ricerca pubblicata questa settimana dagli scienziati dell'Università del Wisconsin-Madison mostra come i batteri possono degradare la roccia solida, dando il via ad un lungo processo di alterazione che crea la porzione minerale del suolo.

Suolo, che l'aforisma descrive come "quel sottile strato sul pianeta che si frappone tra noi e la fame, " è un complesso miscuglio di minerali e sostanze organiche.

Il problema è questo, afferma l'autore senior Eric Roden, un professore di geoscienza all'UW-Madison:"L'immagine generale del suolo mostra un solido substrato roccioso a pochi metri sotto la superficie, poi una frattura, strato friabile popolarmente chiamato "sottosuolo". In cima c'è il ricco, strato biologicamente attivo chiamato suolo. L'analisi chimica collega i minerali nel suolo al substrato roccioso, ma come avviene questa trasformazione estrema?"

L'ossigeno e i composti delle radici delle piante possono degradare la roccia vicino alla superficie, ma il substrato roccioso inizia a degradarsi in profondità sotto le radici. Fino ad ora, nessuno ha mostrato il ruolo chiave della biologia nell'accelerare la decomposizione della roccia solida in frammenti minerali più piccoli.

questi bit, contenenti nutrienti vegetali di base come fosforo e potassio, sono fondamentali per la capacità del suolo di sostenere le piante e la vita nella biosfera terrestre.

Nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze questa settimana, Roden e colleghi hanno scoperto che i microbi causano ossidazione e "invecchiamento" in un tipo comune di substrato roccioso.

"Sappiamo che i processi chimici e fisici iniziano a rompere la roccia, "dice Roden, "ma quei processi non sono sufficienti per rendere i minerali che diventano suolo. Una volta che il substrato roccioso si rompe a sufficienza, i microbi entrano nelle fessure e prendono il sopravvento. Il risultato, secondo il nostro lavoro, è una rapida accelerazione biologica degli agenti atmosferici."

Gli scienziati si sono chiesti per decenni se e come i microrganismi potessero impegnarsi nella degradazione iniziale, ma solo ora hanno spiegato il trucco essenziale che i batteri usano per "mangiare" la superficie superiore del substrato roccioso, dice Roden.

Il processo ruota intorno all'ossidazione, familiare come la causa della ruggine nel ferro. L'ossidazione sposta gli elettroni, che forniscono energia ai batteri, dice Roden. "Quello che abbiamo sviluppato è un'immagine di come i batteri "mangiano" lentamente le rocce per estrarre energia senza portare i minerali nelle loro cellule".

Generalmente, i microbi ingeriscono il loro "cibo" nelle loro cellule prima di "mangiarlo", ma non possono ingerire roccia intatta. Quindi il gruppo eterogeneo di batteri che il gruppo di Roden ha identificato in laboratorio usa le proteine ​​sulla loro superficie esterna per spostare gli elettroni.

Per il suo dottorato ricerca, la prima autrice Stephanie Napieralski ha perforato circa otto metri nella roccia nell'Osservatorio della zona critica di Luquillo a Porto Rico. Tornando a Madison, ha macinato campioni di una roccia chiamata diorite, che contiene ferro ferroso. La macinazione aveva lo scopo di accelerare le lente reazioni biochimiche che sperava di vedere, e accelerare il ritmo da geologico a accademico. Quindi ha inoculato i campioni con il materiale del foro, che trasportava uno stufato naturale di batteri. Ha usato un fluido sterile per i suoi campioni di confronto.

Dopo circa due anni e mezzo al buio, a temperatura ambiente, le micrografie elettroniche hanno mostrato un cambiamento radicale nella struttura della superficie, ma solo se erano presenti i batteri. "Il tasso di ossidazione, agenti atmosferici, era lento, ma senza i batteri, era zero, " dice Napieralski. "Anche se ci sono alcuni agenti atmosferici chimici nella zona critica, era così lento che non l'abbiamo visto durante l'esperimento."

"Secondo me, questo tipo di metabolismo va avanti praticamente da sempre, ma a noi sconosciuto, " dice Roden. "Questa scoperta apre un altro modo di pensare all'erosione ossidativa della roccia di silicato ferroso. Abbiamo ballato intorno a questo per anni. Le rocce si stavano dissolvendo, e microbi erano coinvolti. continuavo a dire, "E l'ossidazione microbica della roccia?" e i miei colleghi hanno detto, 'Fammi vedere.'"

Localizzare proteine ​​di trasferimento di elettroni sulla membrana cellulare ha senso, dice Napieralski. "Questa invenzione biologica, questa proteina, consente alle cellule di entrare in contatto elettrico con i minerali. Consente loro di indebolirsi e mangiare roccia. Se hanno portato il ferro all'interno delle cellule e lo hanno fatto ossidare, sarebbero pieni di ruggine».

Poiché l'esperimento si basava su roccia polverizzata, non dice quanto velocemente avviene il degrado in natura. Però, Napieralski ha misurato la produzione di ATP, una molecola di elaborazione dell'energia, dimostrando che i microrganismi erano vivi e funzionavano durante l'incubazione di 30 mesi.

I batteri ferro-ossidanti rivelati nello studio occupano una serie di phyla batterici, "nel senso che sono diversi come zebre e rane, "dice Roden.

Sebbene lo studio si sia concentrato sul buio, temperature stabili trovate nella parte superiore del substrato roccioso, i batteri ossidanti il ​​ferro possono anche svolgere un ruolo nell'erosione più in alto nel suolo, Napieralski dice. "Il trasferimento di elettroni esterno è un modo per far fronte alla difficoltà di mangiare ferro. Una cosa importante nell'articolo è dimostrare che gli organismi sono cresciuti e hanno accoppiato l'ossidazione del ferro alla generazione di ATP, la "molecola di energia" in tutti i tipi di vita conosciuti."

Una piena comprensione della vita richiede una contabilità di energia, dice Roden. "Quello che abbiamo scoperto è che le cellule entrano in contatto diretto con un minerale altrimenti insolubile, ed estraggono elettroni dal minerale. Stanno ricevendo energia mangiando roccia e fornendo nutrienti alle piante, per la vita sulla Terra".