Cyanobacteria là những người tiên phong của sa mạc núi cao • Alexander Markov • Tin khoa học về "Yếu tố" • Sinh thái học, Vi sinh vật

Cyanobacteria – người tiên phong của sa mạc vùng cao

Các cạnh rút lui của sông băng Puca (Puca) ở Peru Andes, nơi nghiên cứu được tiến hành (loại bỏ từ khoảng cách khoảng 8 km). Ở phía trước là Hồ Sibinacocha, cao hơn mực nước biển 4900 m. Đỉnh trên đường chân trời là Núi Nevado Chumpe, còn được gọi là Yatunriti, tăng 6106 mét so với mực nước biển.Kỷ yếu của Hội Hoàng gia

Kết quả là sự tan chảy của các sông băng núi cao, các khu vực bề mặt trái đất bị phơi nhiễm, đã được bao phủ bởi băng trong hàng ngàn năm. Đã trong những năm đầu tiên sau khi rút lui của sông băng, một cuộc sống vi sinh vật phong phú phát triển ở những khu vực này, trông hoàn toàn vô hồn. Một nghiên cứu được tiến hành ở vùng Andes của Peru cho thấy vi khuẩn cyanobacteria đóng một vai trò quan trọng trong các cộng đồng vi sinh vật tiên phong. Vi khuẩn dần dần bão hòa đất bằng chất hữu cơ và nitơ, chuẩn bị nó để trồng.

Do biến đổi khí hậu toàn cầu, các sông băng núi cao ngày nay đang tan chảy nhanh chóng ở nhiều nơi trên thế giới, bao gồm cả Andes. Trong điều kiện khắc nghiệt của vùng cao nguyên trên các khu vực tiếp xúc sau khi rút lui của sông băng, thực vật có thể nhìn thấy (địa y và rêu) có thể nhìn thấy bằng mắt thường đôi khi chỉ xuất hiện sau nhiều thập kỷ. Trong khoảng thời gian dài này, đất được giải thoát khỏi băng bị giam giữ trông hoàn toàn vô hồn.Tuy nhiên, một số quá trình quan trọng trong nó, tất nhiên, xảy ra – bởi vì cuối cùng nó trở nên thích hợp cho thực vật.

Các giai đoạn “tiền sinh trưởng” ban đầu của kế thừa sinh thái (có nghĩa là, sự phát triển của hệ sinh thái) ở những nơi như vậy đã được nghiên cứu rất ít cho đến nay. Các thông tin rời rạc sẵn có cho phép các nhà khoa học đề xuất ba cơ chế có thể cho sự biến đổi dần dần của một loại đất vô trùng thực tế thành đất phù hợp với đời sống thực vật.

Theo giả thuyết đầu tiên, cơ sở cho sự phát triển của cuộc sống là các chất hữu cơ cổ đại, được bảo tồn ở mặt đất từ ​​thời tiền sử. Trong trường hợp này, những cư dân đại chúng đầu tiên của những loại đất như vậy nên là các vi sinh vật dị dưỡng (cho ăn các chất hữu cơ có sẵn).

Giả thiết thứ hai cho thấy rằng chất hữu cơ xâm nhập vào các loại đất này cùng với phấn hoa, bào tử của thực vật và nấm thấp hơn, và các vật thể hữu cơ nhỏ khác do gió tạo ra. Theo phiên bản này, những người định cư đầu tiên của sa mạc núi cao cũng nên là vi sinh vật dị dưỡng ăn thức ăn hữu cơ do gió mang lại.

Cuối cùng, giả thuyết thứ ba cho thấy rằng cộng đồng tự dưỡng (quang hợp,sản xuất vi sinh vật từ carbon dioxide), chủ yếu là vi khuẩn lam. Những vi khuẩn này đóng một vai trò quan trọng trong việc làm giàu dần dần các loại đất núi cao.

Tất nhiên, những giả thuyết này không loại trừ lẫn nhau: cả ba cơ chế đều có thể làm việc đồng thời, câu hỏi duy nhất là câu hỏi nào trong số đó là quan trọng hơn.

Một nhóm các nhà nghiên cứu người Mỹ do Steve Schmidt (Steve Schmidt) từ Đại học Colorado tại Boulder (Đại học Colorado tại Boulder) nghiên cứu chi tiết các giai đoạn đầu tiên của sự phát triển sự sống trong đất tiếp xúc trong quá trình tan chảy của các sông băng ở vùng cao nguyên Andes Peru (chính xác hơn, trong Cordillera de Vilcanota) , ở phía đông nam của Peru, trên biên giới của các phòng ban Cusco và Puno, 80 km về phía đông nam của thành phố Cusco). Ở những nơi này, sự phát triển của thực vật là vô cùng khó khăn do khí hậu khô và lạnh, áp suất khí quyển thấp và bức xạ cực tím. Các điều kiện ở đây khắc nghiệt đến mức chúng được so sánh với “thung lũng khô” đông lạnh của Nam Cực và thậm chí với sao Hỏa. Không có gì đáng ngạc nhiên khi ở những vùng này, đất tiếp xúc vẫn không có sức sống thậm chí 80 năm sau khi rút lui của sông băng.

Trong giai đoạn tiếp tục quan sát, bắt đầu vào năm 2000, sông băng Puca (Puca), nơi các nhà khoa học làm việc, rút ​​lui trung bình 20 m mỗi năm.Các nhà khoa học cũng biết vị trí của ranh giới của sông băng trong quá khứ xa hơn – vào năm 1931 (vào thời điểm đó sông băng rút lui chậm hơn một chút – khoảng 14 m mỗi năm). Điều này cho phép chúng tôi lấy một loạt các mẫu đất với chính xác "tuổi" được biết đến: 0, 1, 4 và 79 năm kể từ khi chúng rời khỏi băng.

Một nghiên cứu toàn diện về các mẫu cho thấy sự giải quyết ban đầu của đất không xương được liệt kê ở trên, cuối cùng và thứ ba gần nhất với thực tế, theo đó các giai đoạn đầu tiên của sinh thái không phải do vật chất hữu cơ hoặc phấn hoa cổ đại mang lại, mà do hoạt động của cộng đồng quang hợp sống động và năng động. vi sinh vật.

Phân tích các đoạn DNA phân lập từ các mẫu cho thấy rằng ngay sau khi sự rút lui của sông băng trong lòng đất chỉ có ba loại vi khuẩn lam. Tất cả chúng đều là họ hàng thân thiết của những loài đã từng được tìm thấy ở Nam Cực "thung lũng khô". Hình ảnh thay đổi hoàn toàn trong vòng 4 năm tới. Trong thời gian này, một cộng đồng vi sinh vật phong phú và đa dạng phát triển trong đất, bao gồm ít nhất 20 loại vi khuẩn lam.Một số người trong số họ thuộc về các nhóm không biết đến khoa học, những người khác có liên quan đến vi khuẩn lam tìm thấy ở các tầng trên của đất sa mạc, những người khác thuộc về các chi phổ biến, phổ biến ở khắp mọi nơi NostocAnabaena, được biết đến với khả năng thu giữ nitơ khí quyển một cách nhanh chóng và hiệu quả (có nghĩa là, chuyển đổi nó thành một dạng thích hợp để sử dụng bởi các tế bào sống). Về khả năng của vi khuẩn cyanobacteria đối với cố định đạm, xem: Cyanobacteria kết hợp trong một tế bào quang hợp và cố định nitơ khí quyển, “Các nguyên tố”, 01.02.2006; Để giảm cân bằng nitơ, cần tính toán chính xác thực vật phù du, “Các nguyên tố”, ngày 15/6/2006.

Các nhà khoa học đã đo cẩn thận hàm lượng nitơ trong các mẫu, cũng như tỷ lệ cố định của nó. Hóa ra là trong năm đầu tiên sau khi rút lui của sông băng, đất chứa rất ít nitơ, và tỷ lệ cố định của nó là thấp (khoảng 0,8 μg mỗi mét vuông mỗi giờ). Sau đó, cường độ cố định nitơ bắt đầu tăng nhanh và đạt mức tối đa trong năm thứ tư (37 μg). Sau đó, quá trình cố định nitơ chậm lại một chút (lên đến 18 μg trên mét vuông mỗi giờ, 79 năm sau khi sông băng đã rời đi). Đối với độ bão hòa của đất với nitơ, nó không giảm,và nó tiếp tục tăng trưởng đều đặn trong toàn bộ khoảng thời gian nghiên cứu: từ gần bằng không giá trị trong năm đầu tiên đến 600 microgam trên gam đất khô trong 79 năm. Rõ ràng, ở giai đoạn đầu của sự phát triển của cộng đồng cyanobacteria, các hình thức có khả năng hiệu quả cố định nitơ chiếm ưu thế trong nó. Trong tương lai, khi đất được làm giàu bằng nitơ, các vi khuẩn lam này được thay thế một phần bởi những người khác sử dụng trữ lượng tích lũy của các hợp chất nitơ.

Trong quá trình kế thừa, không chỉ sự đa dạng của vi khuẩn đất tăng lên, mà còn sự phong phú và sinh khối của chúng. Điều này được chứng minh, đặc biệt, bởi sự gia tăng nhanh chóng trong nội dung của chất diệp lục và một số sắc tố khác đặc trưng của vi khuẩn lam trong các mẫu.

Các nhà khoa học cũng phát hiện ra rằng hàm lượng chất hữu cơ trong đất tăng nhanh theo thời gian, và tập hợp các hợp chất hữu cơ được phát hiện hoàn toàn phù hợp với giả thiết nguồn gốc vi khuẩn của chúng. Nếu giai đoạn đầu của quá trình sinh thái được thực hiện với sự tham gia tích cực của vi sinh vật dị dưỡng tiêu thụ các chất hữu cơ hoặc mang theo gió, người ta sẽ không mong đợi sự tăng trưởng, nhưng giảm nồng độ các chất hữu cơ trong đất (hoặc, ít nhất, sự tăng trưởng sẽ không nhanh như vậy)Có, và thành phần của chất hữu cơ trong trường hợp này sẽ hoàn toàn khác nhau. Trong đất "trẻ" (tuổi 0, 1 và 4 năm), thực tế không có chất được hình thành trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ có nguồn gốc thực vật (ví dụ, phấn hoa). Bất kỳ số lượng đáng chú ý nào của các chất này chỉ được tìm thấy trong các mẫu 79 tuổi. Điều này có nghĩa rằng các chất hữu cơ được đưa vào bởi gió tích tụ chậm và khó có thể là yếu tố quyết định trong giai đoạn đầu của sự kế vị.

Các phân tích được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu không cho phép có được danh sách đầy đủ của tất cả các vi khuẩn có trong đất được nghiên cứu. Trong bài báo này, nhấn mạnh được đặt trên vi khuẩn lam. Ví dụ, trong phân tích DNA, các kỹ thuật được sử dụng để chỉ phát hiện sự hiện diện của các gen vi khuẩn cyanobacteria (cụ thể là gen 16S rRNA). Đồng thời, tuy nhiên, các gen rRNA 16S có trong bộ gen lục lạp của tảo tảo đơn bào cũng được các nhà nghiên cứu chú ý. Lục lạp thực vật được biết đến là hậu duệ của vi khuẩn cộng sinh. Do đó, các gen rRNA 16S trong lục lạp và vi khuẩn lam rất giống nhau và được bắt trên cùng một “mồi” (có nghĩa là, trên cùng một mồi, xem: Phản ứng chuỗi polymerase).Hóa ra là một lượng nhỏ tảo cát đã có mặt trong đất “trẻ nhất” và trong tương lai số lượng của chúng tăng lên rõ rệt. Diatoms từ mẫu dưới 1 tuổi không thể xác định được – đây là một số tảo cát chưa biết trong khoa học. Sau đó, một tảo cát phát triển trong đất. Nitzschia frustulum – loài trước đây được tìm thấy trong băng Nam Cực.

Để đánh giá tính năng động của sự phát triển của vi sinh vật dị dưỡng, các nhà khoa học đo được trong các mẫu hoạt tính của phosphatase, peptidases và cellulase, đó là những enzyme có sự trợ giúp của vi khuẩn thường “tiêu hóa” nhiều hợp chất hữu cơ khác nhau. Hóa ra là trong đất “trẻ nhất” (0 và 1 năm) hoạt tính của các enzym này rất thấp. Hoạt tính của phosphatase và peptidase tăng rõ rệt trong các mẫu 4 năm và tiếp tục phát triển. Enzyme của hai lớp này có thể được sử dụng để phân hủy các chất hữu cơ có nguồn gốc bất kỳ, kể cả vi khuẩn. Hoạt động của cellulase, một loại enzyme cần thiết cho sự phân hủy các chất hữu cơ có nguồn gốc thực vật, chỉ được đăng ký trong loại đất “lâu đời nhất” (79 tuổi). Những kết quả này phù hợp với những gì đã được đề cập ở trên về sự tích lũy rất chậm của các chất hữu cơ thực vật (ví dụ, phấn hoa) do gió tạo ra.

Nói chung, các kết quả thuyết phục cho thấy rằng những người tiên phong thực sự của sa mạc núi cao hình thành tại các vị trí của các sông băng tan chảy là vi khuẩn lam. Chúng đóng một vai trò quan trọng trong việc làm giàu đất không có sự sống với chất hữu cơ và nitơ. Vi sinh vật dị dưỡng, chất hữu cơ cổ đại và phấn hoa mang theo gió chỉ có tầm quan trọng thứ cấp.

Các tác giả cũng tìm thấy rằng các loại đất nổi lên từ dưới sông băng cuối cùng trở nên ít chảy và mạnh hơn. Nhiều khả năng, điều này cũng được giải thích bởi hoạt động của vi khuẩn lam – được biết rằng những vi khuẩn này tiết ra một lượng lớn chất kết dính có thể giữ các hạt đất lại với nhau. Do đó, vi khuẩn lam không chỉ làm giàu đất bằng chất dinh dưỡng mà còn bảo vệ nó khỏi sự xói mòn.

Nguồn: S. K. Schmidt et al. Các giai đoạn sớm nhất của hệ sinh thái kế tiếp ở độ cao cao (5000 mét trên mực nước biển), gần đây deglaciated đất // Kỷ yếu của Hội Hoàng gia B: Khoa học Sinh học. 2008. doi: 10.1098 / rspb.2008.0808 (được xuất bản trực tuyến).

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

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