Jak mikrobiom glebowy samoorganizuje się, aby napędzać cykl węglowy
Gleba, ze względu na swoje właściwości mikroskopijne, jest głównym magazynem węgla. Mikroorganizmy glebowe nieustannie rozkładają materiał roślinny, uwalniając część CO2 do atmosfery, a jednocześnie magazynując znacznie więcej węgla w strukturze gleby. „Przez tysiące lat ta aktywność mikrobiologiczna nie tylko utrzymywała równowagę obiegu węgla między lądem a atmosferą, ale także doprowadziła do zgromadzenia ogromnych rezerw węgla w glebie”, wyjaśnia Christina Kaiser(odnośnik otworzy się w nowym oknie), adiunkt w Centrum Mikrobiologii i Nauk o Systemach Środowiskowych Uniwersytetu Wiedeńskiego. „Wciąż nie poznaliśmy jednak w pełni mechanizmów odpowiedzialnych za mikrobiologiczny rozkład materii organicznej w glebie”. Mikrobiom glebowy funkcjonuje w niezwykle małej skali, a my nadal nie wiemy, w jaki sposób interakcje między drobnoustrojami w tak złożonym przestrzennie środowisku, jakim jest gleba, wpływają na całościowy proces przemiany materii organicznej na poziomie systemowym. W ramach projektu SomSOM, finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), Kaiser i jej współpracownicy rzucili nowe światło na ten podziemny system, badając interakcje między mikrobami przez pryzmat nauki o złożonych systemach. Teorie w tej dziedzinie sugerują, że interakcje na poziomie mikro mogą – w ramach procesu zwanego „samoorganizacją” – prowadzić do wystąpienia zachowań na poziomie systemowym, których nie da się przewidzieć na podstawie właściwości pojedynczych elementów. „Znaleźliśmy dowody na to, że złożone zachowania systemów mają kluczowe znaczenie dla funkcjonowania gleby”, mówi Kaiser. „Taka perspektywa jest niezbędna do przewidywania, w jaki sposób gleby zareagują na zmiany środowiskowe oraz jak będą kształtować bilans węgla na Ziemi w przyszłości”.
Identyfikacja samoorganizacji w społecznościach mikroorganizmów glebowych
Zespół badał, w jaki sposób mikroorganizmy glebowe „samoorganizują się” w różnych skalach przestrzennych, łącząc eksperymenty w skali mikroskopowej z modelami komputerowymi. Celem było zbadanie, w jaki sposób mikroby współpracują ze sobą, aby rozkładać złożone substancje. Aby uzyskać dostęp do źródeł pożywienia, mikroby muszą wytwarzać enzymy i uwalniać je do środowiska. Jak pokazuje projekt, skuteczność działania tych enzymów w dużym stopniu zależy od struktury mikroporów gleby. Prowadzi to do powstania kompromisu dla mikroorganizmów, co skutkuje występowaniem „punktów krytycznych”, w których niewielkie zmiany warunków środowiskowych mogą powodować gwałtowne zmiany w aktywności mikroorganizmów. W większej skali wykazano, że struktura gleby w skali milimetrowej, która powstała na skutek aktywności mikroorganizmów, kształtuje społeczności mikroorganizmów i łączy je z odrębnymi fragmentami materii organicznej, co może mieć przełożenie na ich ekologię i ewolucję. Wykorzystując gleby pochodzące z długotrwałych eksperymentów terenowych, zespół ocenił również rolę mikrobiomu glebowego na poziomie ekosystemu. W Austrii, 70 lat niedoboru składników odżywczych na terenach trawiastych doprowadziło do złożonych zmian w zbiorowiskach grzybów glebowych, przyczyniając się do zmian w społecznościach roślin i składzie chemicznym gleby. Badania przeprowadzone na Islandii wzdłuż naturalnego gradientu geotermalnego wykazały, że gleby mogą osiągać punkty krytyczne pod wpływem zmian środowiskowych. Wyniki badań opublikowano w licznych recenzowanych czasopismach, w tym „Nature Geoscience”, „ISME Journal” i „PLOS Computational Biology”, a także zaprezentowano na kilku konferencjach, zarówno wśród społeczności zajmującej się glebą, jak i na spotkaniach poświęconych złożonym systemom i modelowaniu matematycznemu.
Poszerzanie wiedzy na temat ekosystemów mikrobiologicznych gleby
Ogólnie rzecz biorąc, projekt pogłębił naszą wiedzę na temat ekosystemów mikrobiologicznych gleby dzięki podejściu, które nie jest tradycyjnie stosowane w tej dyscyplinie, i dostarczył pierwszych dowodów na to, że złożona dynamika systemowa kształtuje obieg węgla w glebie. „Łącząc koncepcje z zakresu ekologii mikroorganizmów, gleboznawstwa i teorii systemów złożonych, projekt dał nam nową perspektywę w kwestii kontroli obiegu materii organicznej w glebie i jej reakcji na zmiany w środowisku”, dodaje Kaiser. „To znaczący postęp, wykraczający daleko poza obecny stan wiedzy w dziedzinie badań gleby”.
