Como nossos oceanos, os continentes de hoje estão cheios de vida. No entanto, bilhões de anos atrás, antes do advento das plantas, continentes teriam parecido estéreis. Acreditava-se que essas formas de terra aparentemente vazias não desempenhavam nenhum papel no mecanismo bioquímico inicial conhecido como ciclo do nitrogênio, da qual a maioria das coisas vivas depende para sobreviver.

Agora, Ferran Garcia-Pichel, pesquisador da ASU, junto com Christophe Thomazo, do Laboratoire Biogéosciences em Dijon, França, e Estelle Couradeau, uma ex-Marie Curie Postdoc em ambos os laboratórios, mostram que crostas biológicas do solo - colônias de microorganismos que hoje colonizam áreas áridas, ambientes desérticos - podem ter desempenhado um papel significativo no ciclo de nitrogênio da Terra, ajudando a fertilizar os primeiros oceanos e criar uma ligação de nutrientes entre a atmosfera, continentes e oceanos.

Garcia-Pichel dirige o Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics e é professor na Escola de Ciências da Vida da ASU. Originalmente, um microbiologista marinho, ele ficou fascinado com o mundo oculto dos microrganismos que ficam no topo dos solos dos desertos e outras regiões áridas desprovidas de vida vegetal. Esses biocrusts vivos têm propriedades notáveis, prosperando em condições extremas, ajudando a ancorar os solos no lugar, então eles resistem à erosão, e fertilizar pastagens e desertos.

A nova pesquisa, que aparece na edição online avançada da revista Nature Communications , sugere que análogos dessas biocrostas se espalharam por continentes desolados da Terra primitiva, e contribuiu para estabelecer o ciclo do nitrogênio essencial para a vida como a conhecemos hoje.

Atmosfera em evolução

"Esta Terra realmente primitiva era um planeta muito diferente em muitos aspectos, particularmente na composição da atmosfera, "Garcia-Pichel diz." Antes do aparecimento dos micróbios fotossintéticos oxigenados, como as cianobactérias que produzem oxigênio - assim como as plantas fazem hoje - a atmosfera não foi oxigenada. ”Essa vasta época sem oxigênio durou metade dos 4,6 bilhões de anos de história da Terra.

Tudo isso mudou com algo conhecido pelos geoquímicos como o Grande Evento de Oxigenação. "Essa foi talvez a mudança mais importante na natureza do planeta. Há sinais reveladores disso no registro de rochas, para que as pessoas tenham uma boa ideia de quando isso aconteceu - cerca de 2,45 bilhões de anos atrás, mas a sabedoria convencional afirma que isso aconteça em oceanos rasos ", diz Garcia-Pichel.

Hoje, o nitrogênio constitui 78% da atmosfera. É um elemento vital no DNA, RNA e proteínas, os principais componentes da vida. Mas o nitrogênio encontrado na atmosfera não é adequado para uso pela maioria dos organismos. Deve primeiro ser processado, através do que é conhecido como ciclo do nitrogênio. Isso ocorre quando organismos procarióticos realizam a fixação de nitrogênio, tornando o nitrogênio atmosférico disponível em uma forma útil para plantas e animais para a sobrevivência.

Embora tenha sido assumido que o ciclo do nitrogênio que surgiu no início da história da Terra, resultou de micróbios oceânicos durante uma fase antiga conhecida como Arqueano, novas pesquisas sugerem que quantidades significativas de nitrogênio vieram de crostas de solo biológico de base terrestre.

Mudança de perspectiva

"Na mente de muitos biólogos evolucionistas, os continentes eram irrelevantes no início da história da Terra, porque eles são considerados estéreis de vida até que as primeiras plantas apareceram, cerca de 0,4 bilhões de anos atrás. Portanto, todos os modelos de como os elementos foram ciclados foram baseados nas interações entre o oceano e a atmosfera, "Garcia-Pichel diz.

Recentemente, no entanto, evidências começaram a aparecer sugerindo que os continentes estavam longe das massas de terra estéreis como eram retratados. Em vez de, comunidades microbianas intrincadas semelhantes às biocrostas encontradas nos atuais ambientes desérticos, colonizou os primeiros continentes. Traços de sua presença datam de 3,2 bilhões de anos atrás, bem antes do Grande Evento de Oxigenação ajudar a preparar o cenário para a explosão cambriana - uma súbita explosão de vida que deu origem à maioria dos filos animais do mundo.

Os pesquisadores observam que hoje, essas biocrostas ocupam cerca de 12 por cento das terras da Terra. Eles são compostos de cianobactérias filamentosas, que realizam a maior parte da fixação de carbono e nitrogênio da biocrosta e fornecem nutrientes para o resto do microbioma da crosta, ao mesmo tempo que une os grãos do solo e fornece às comunidades microbianas resistência à erosão.

"Essas comunidades vivem de luz, "Garcia-Pichel diz." Quando as plantas evoluíram e começaram a se acumular, isso marcou sua morte. Não há mais luz no solo por causa do acúmulo de serapilheira ". No entanto, em um mundo antigo, antes da evolução das plantas, não haveria nada para impedir sua colonização dos continentes, onde as condições para seu crescimento e desenvolvimento teriam sido consideravelmente menos duras.

Como observa Garcia-Pichel, ambientes aquosos como oceanos e lagos fornecem condições superiores para fossilização, tornando a detecção de antigas colônias de biocrusta em terra mais desafiadora. Isso pode ser responsável em parte pela negligência das biocrostas continentais como os ecossistemas primários de base terrestre durante grande parte da história do planeta.

Uma nova imagem emerge

A equipe realizou uma meta-análise de seus dados anteriores combinados com outra literatura relevante sobre a ciclagem de nitrogênio por biocrustas modernas. Os resultados demonstram que as biocrostas com ciclo de nitrogênio são capazes de importar gás nitrogênio da atmosfera e exportar amônio e nitrato.

A análise quantitativa sugere que a contribuição da biocrosta para o ciclo do nitrogênio durante o início da história da Terra teria sido significativa, mesmo com colonização limitada dos continentes pré-cambrianos.

A noção de formas de vida baseadas na terra - as biocrostas - proporcionando uma contribuição significativa para a biogeoquímica inicial da Terra representa uma mudança de paradigma significativa. Novas pesquisas devem ajudar a estabelecer até que ponto no registro da Terra essas biocrostas microbianas se estendem e ajudar a explorar suas contribuições para o ciclo de outros elementos, como o fósforo.

Defensores do deserto

O centro de Garcia-Pichel também está envolvido nos esforços para restaurar comunidades de biocrustas em ambientes desérticos, onde a urbanização e outros fatores os degradaram seriamente. Embora essas comunidades mostrem uma resiliência surpreendente às condições adversas das regiões desérticas e polares, eles são altamente sensíveis à interferência humana, incluindo pisoteio, tráfego de veículos e agricultura.

Garcia-Pichel estima que nas áreas ao redor de Phoenix, onde ele trabalha, apenas 5 por cento dos biocombustíveis originais permanecem. Avançar, a mudança climática não irá apenas alterar a demografia dos biocombustíveis, que variam em sua composição de acordo com a região, mas tornará alguns ambientes desérticos áridos demais para sua sobrevivência. A restauração dessas comunidades é atualmente uma tarefa desafiadora, parte ciência e parte arte. A mistura certa de agentes microbianos deve estar presente para que as comunidades recém-semeadas sobrevivam e floresçam.

"Quando você destrói a crosta, você torna o solo instável e muito sujeito à erosão, "Garcia-Pichel diz." Áreas desmatadas de crostas são fontes de poeira e areia fugitivas. A proteção natural do deserto não está lá, e mesmo ventos moderados podem levantar um haboob. Fomos financiados nos últimos 5 anos para desenvolver maneiras de fazer crescer essas crostas e semeá-las novamente no campo. Essa é uma parte aplicada do nosso trabalho, o que é uma novidade para o nosso laboratório. "