▲藝術家重現太古代地球的原始土壤環境，包括由碳酸鹽沉澱微生物形成的著名的水生疊層石。特寫展現了現代樣品照片中常由絲狀藍藻組成的陸地生物結皮。新研究表明這些生物結皮在早期地球的氮循環中發揮了重要作用。
近日，來自ASU的研究員Ferran Garcia-Pichel、來自法國Laboratoire Biogéosciences的Christophe Thomazo以及瑪麗居裡博士後Estelle Couradeau在《自然通訊》（Nature Communication）雜誌在線發表文章。文章表明早期地球的生物土壤結皮——聚居於現今貧瘠的沙漠中的微生物群落——可能在地球氮循環中發揮了重要作用：孕育早期海洋，並在大氣、大陸和海洋之間建立營養聯繫。
氮元素是生物大分子DNA、RNA和蛋白質的重要組成元素，大多數生物的生存都依賴氮循環。氮氣佔現今大氣的78％，但大多數生物體無法直接使用氮氣。原核生物通過固氮作用使氮能被植物和動物所使用。
Garcia-Pichel說：「在產氧光合微生物出現前，地球大氣層並沒有充滿氧氣。直到大約24.5億年前，大氧化事件徹底改變了地球的性質，但一般認為該事件發生在淺海中。」
長期以來人們一直認為地球早期的氮循環是由太古代期間的海洋微生物引起的。但這項研究表明，早在大氧化事件發生前，大約在32億年前，複雜的生物結皮已經聚居在大陸。
今天，這種生物結皮約佔地球土地的12％，由絲狀藍藻組成。絲狀藍藻完成了生物結皮內大部分碳和氮的固定，並為其他地殼微生物提供營養，同時將土壤顆粒結合在一起並為微生物群落提供抗侵蝕性。Garcia-Pichel說：「絲狀藍藻依賴光照，當植物進化並開始增長後，植物枯落物堆積，土壤沒有了光照。然而，在植物進化前，沒有什麼阻止它們在大陸的聚居，因為它們的生長條件非常寬鬆。」
該團隊將他們早期的數據與其他有關文獻結合後進行薈萃分析（meta-analysis），結果表明，能進行氮循環的生物結皮能夠從大氣中輸入氮氣並輸出銨和硝酸鹽。在前寒武紀階段，即便大陸比較貧瘠，生物結皮對氮循環的貢獻已經非常之大。
這代表了一種重要的範式轉變，未來的研究應該探索這些生物地皮在歷史中的延伸程度和它們對其他元素循環的貢獻。
現今沙漠中的一些生物地皮遭到破壞，導致土壤容易被侵蝕，進而產生塵埃和沙子。雖然它們對惡劣的環境條件表現出驚人的恢復力，但對人為幹擾（踐踏、車輛交通和農業）高度敏感。
Garcia-Pichel團隊試圖在沙漠中恢復生物結皮，過去的5年他們一直試圖栽培結皮並將它們重新種植到土地上。這是一項具有挑戰性的任務。
編譯：伊幻 審稿：阿淼
責編：南熙