„Cyborg Soil“ bringt ein komplexes Netz versteckter mikrobieller Städte ans Licht

Graben Sie einen Teelöffel in den nächstgelegenen Erdklumpen, und das, was Sie zum Vorschein bringen, wird enthalten sein mehr Mikroorganismen als es Menschen auf der Erde gibt.

Das wissen wir aus Laborstudien Sie analysieren Erdproben aus der mikrobiellen Wildnis, um festzustellen, welche Formen mikroskopischen Lebens in der Welt unter unseren Füßen existieren.

Das Problem ist, dass solche Studien uns nicht wirklich sagen können, wie dieses unterirdische Reich aus Pilzen, Flagellaten und Amöben im Boden funktioniert.

Da dabei der Boden aus seiner Umgebung entfernt wird, zerstören diese Studien die empfindlichen Strukturen von Schlamm, Wasser und Luft, in denen sich die Bodenmikroben befinden.

Dies veranlasste mein Labor, eine Möglichkeit zu entwickeln, diese Untergrundarbeiter auszuspionieren, die in ihrer Rolle als unverzichtbar sind Agenten für das Recycling organischer Stoffe , ohne ihre Mikrolebensräume zu stören.

Unsere Studie enthüllte die dunklen, feuchten Städte, in denen Bodenmikroben leben. Wir fanden Labyrinthe aus winzigen Autobahnen, Wolkenkratzern, Brücken und Flüssen, durch die Mikroorganismen navigieren, um Nahrung zu finden oder um nicht zur nächsten Mahlzeit von jemandem zu werden.

Dieses neue Fenster zu dem, was unter der Erde passiert, könnte uns helfen, die Erde besser zu schätzen und zu bewahren zunehmend beschädigt Böden.

Cyborg-Boden

In unserer Studie haben wir eine neue Art von „Cyborg-Erde“ entwickelt, die halb natürlich und halb künstlich ist. Es besteht aus mikrotechnisch hergestellten Chips, die wir entweder in der Wildnis vergraben oder im Labor mit Erde umgeben haben, damit die mikrobiellen Städte im Schlamm entstehen können.

Die Chips wirken im wahrsten Sinne des Wortes wie Fenster zum Untergrund. Der Chip ist ein transparenter Fleck im ansonsten undurchsichtigen Boden und ist so geschnitten, dass er die Porenstrukturen des tatsächlichen Bodens nachahmt, die in der Größenordnung, in der Mikroben sie wahrnehmen, oft seltsam und kontraintuitiv wirken.

Auf der Mikroebene dominieren andere physikalische Gesetze als das, was wir in unserer Makrowelt kennen.

Wasser haftet an Oberflächen und ruhende Bakterien werden durch die Bewegung der Wassermoleküle herumgeschubst. Es bilden sich Luftblasen unüberwindbare Hürden für viele Mikroorganismen aufgrund der Oberflächenspannung des sie umgebenden Wassers.

Sobald wir unsere Chips in den Boden implantiert hatten, konnten wir zusehen, wie Mikroben auf ihrem Zersetzungsweg weiterkamen und ihre Wechselwirkungen, ihre Nahrungsnetze und die Art und Weise, wie verschiedene Mikroben ihre umgebenden, sich ständig verändernden Mikrolebensräume gestalten, offenlegten.

Pilzautobahnen

Als wir unsere ersten Chips ausgruben, trafen wir auf die ganze Vielfalt einzelliger Organismen. Nematoden , winzig Arthropoden und Bakterienarten, die in unseren Böden vorkommen. Pilzhyphen , die sich wie Pflanzenwurzeln unter der Erde graben, hatten schnell gewachsen in die Tiefen unserer Cyborg-Bodenporen und schafft so eine direkte lebendige Verbindung zwischen dem echten Boden und unseren Chips.

Dies bedeutete, dass wir ein Phänomen untersuchen konnten, das nur aus Laborstudien bekannt war: das „ Pilzautobahnen ' entlang welcher Bakterien ' trampen „um sich im Boden zu verteilen.

Normalerweise Bakterien durch Wasser verteilen Indem wir einige unserer Chips mit Luft füllten, konnten wir beobachten, wie Bakterien entstehen schmuggeln sich in neue Poren, indem sie den tastenden Armen der Pilzhyphen folgen.

Unerwarteterweise fanden wir auch eine hohe Anzahl von Protisten – rätselhafte einzellige Organismen, die weder Tiere noch Pflanzen oder Pilze sind – in den Räumen um Hyphen. Offensichtlich sind auch sie auf dem Pilz-Highway mit von der Partie – ein bisher völlig unerforschtes Phänomen.

Da wir mehrere hundert mögliche Pfade innerhalb unserer Cyborg-Bodensplitter untersucht haben, darunter mehrere tausend einzelne Porenräume, konnten wir auch quantifizieren, dass dies häufig vorkam.

Dies zeigt, dass Hyphen ein wichtiger Vektor für die Verbreitung einer Vielzahl schwimmender Mikroorganismen sein müssen, was ihnen einen wichtigen Vorteil bei der Nahrungssuche in unterirdischen Mikrostädten verschafft.

Tiefbau

In unserer Studie wollten wir auch untersuchen, wie und mit welchen Mitteln mikrobielle Städte geschaffen werden.

Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, bestand darin, zu beobachten, wie Bodenmineralien in unsere Chips gelangten und innerhalb der künstlichen Strukturen, die wir in den Boden gelegt hatten, Taschen mit echtem Bodenraum bildeten.

Als unsere Chips zu trocknen begannen, wurden wir Zeuge, wie Wasser durch die Poren des Bodens gesaugt wird: ein Tsunami von Wasserbewegungen, denen Bodenmikroorganismen regelmäßig ausgesetzt sind, wenn Regen und Sonnenschein ihre winzigen Welten zerstören.

Die resultierenden Muster in den Bodenmineralien ähnelten einem Flussbettsystem in unserer Makrowelt.

Und es sind nicht nur physikalische Kräfte, die den Lebensraum der Bodenmikroben prägen. Mit ihren starken Hyphenspitzen wirken Pilze oft wie „ Ökosystemingenieure ', indem sie Passagen öffnen und andere mit ihren Zellen blockieren. Sie sind für viele Straßen, Alleen und Brücken in der Mikrobenmetropole verantwortlich.

Überraschender war, dass wir herausfanden, dass auch andere, weniger „starke“ Organismen die mikroskopische Struktur von Böden verändern.

A gewimpert Beispielsweise kann der Vogel, der zur Fortbewegung über kleine haarähnliche Fortsätze verfügt, durch seine kräftige Nahrungssuche auch den Boden zerstören.

Boden, Wissenschaft und Gesellschaft

Unsere Cyborg-Bodenstudie trägt letztendlich dazu bei, die Feldökologie mit kontrollierten Laborstudien zu verbinden. Es vereint die Vorteile der Untersuchung realistischer, komplexer Gemeinschaften von Bodenorganismen mit der gleichzeitigen sorgfältigen Kontrolle und Anpassung von Faktoren wie Nährstoffversorgung oder Temperatur, sodass wir sehen können, wie Böden und ihre Mikroben auf oberirdische Veränderungen reagieren.

Aber es gibt noch einen weiteren Vorteil. Wir glauben, dass die Beobachtung der verborgenen Welt der Böden und ihrer faszinierenden Bewohner den Menschen helfen könnte, sich emotional mit diesem lebenswichtigen Ökosystem auseinanderzusetzen.

Andere Ökosysteme haben das schon lange charismatische Tiere Naturschutzinitiativen zu vertreten.

Böden hingegen sind still mit Schmutz verbunden und Schmutz.

Doch Böden unterstützen 95 Prozent unserer Lebensmittelproduktion . Sie lagern mehr als zweimal die Menge an Kohlenstoff als die Biosphäre und die Atmosphäre zusammen.

Wir möchten zeigen, dass Sie, wenn Sie Ihren Teelöffel in die Erde graben, den Oberlauf einer aufregenden, geheimen Metropole ausgraben, die Folgendes enthält ein Viertel der Arten der Erde. Die niedlichen Organismen in Ihrem Löffel sind nicht schmutzig: Sie erbringen still und leise lebenswichtige Ökosystemdienstleistungen, die alles Leben über der Erde unterstützen. Diese Bodenstadtbewohner sind es in dringender Not eines besseren Schutzes.

Edith Hammer , Lehrbeauftragter, Fachbereich Biologie, Universität Lund .

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