Mikrobielle måtter: Definition, dannelse, stromatolitter og økologisk betydning

Opdag mikrobielle måtter og stromatolitter: dannelse, fossiler, fotosyntese og deres afgørende økologiske rolle i Jordens tidlige udvikling.

En mikrobisk måtte er et lag af mikroorganismer, hovedsagelig bakterier og archaea, i flere lag. De blev først beskrevet af Paracelsus (~1519),^p1 men deres fulde betydning blev først erkendt i sidste fjerdedel af det 20. århundrede.

Forekomst og overlevelse

Mikrobielle måtter vokser for det meste på nedsænkede eller fugtige overflader, men nogle få overlever i ørkener. De koloniserer miljøer med temperaturer fra -40 °C til +120 °C. Nogle få af dem er endosymbionter af dyr.

Opbygning og interne miljøer

Selv om de normalt kun er få centimeter tykke, skaber mikrobiske måtter en bred vifte af interne kemiske miljøer. De består af lag af mikroorganismer, der kan leve af eller tåle de kemikalier, der befinder sig på deres niveau. Under fugtige forhold holdes måtterne sammen af slimede stoffer (polysaccharider), der udskilles af mikroorganismerne. ^{118; 1671-7} Nogle af mikroorganismerne danner sammenfiltrede net af filamenter, som gør måtten mere hårdfør. De bedst kendte fysiske former er flade måtter og stubbe søjler kaldet stromatolitter, men der findes også kugleformede former.

I lodrette tværsnit viser måtter typisk stærke biogeokemiske gradienter over millimeter- til centimeterskala: lys og ilt dominerer i overfladelaget om dagen (på grund af fotosyntese), mens dybere lag kan være anaerobe og rige på sulfider, metan eller jern(II). Disse små-skala gradientsystemer gør det muligt for mange metabolske typer at eksistere tæt sammen — for eksempel oxygenisk fotosyntese, anoxygenisk fotosyntese, sulfatreduktion, metanogenese og heterotrof respiration.

Dannelse og vækst

Måtter dannes ved kolonisering af overflader af fotosyntetiserende mikroorganismer (ofte cyanobakterier) og efterfølgende tilvækst af heterotrofe bakterier, archaea og andre mikroskopiske organismer. EPS (ekstracellulære polymerer) binder sediment og celler sammen og fremmer lagdeling. Procesmæssigt bidrager tre mekanismer ofte til dannelsen af fast struktur:

• Trapping og binding af sediment af filamentøse celler og EPS.
• Biokemisk eller biologisk fremkaldt udfældning (biomineralisering) — fx udfældning af carbonat når fotosyntese hæver pH og fjerner CO2.
• Vækst og lagvis udlægning af mikrobielle samfund, som gradvist bygger op lamineringer.

Stromatolitter

Stromatolitter er karakteristiske, laminære, ofte søjle- eller kuppel-lignende strukturer dannet af mikrobielle måtter, typisk ved vekslende faser af mikrobiologisk vækst, sedimentfangst og mineralisering. Nogle stromatolitter vokser meget langsomt — millimeter til centimeter per år — men kan med tiden opnå imponerende størrelser. Kendte moderne lokaliteter med synlige stromatolitter findes blandt andet i hypersalinske områder, hvor nedgravning af dyr er begrænset.

Fossile beviser og geologisk betydning

Mikrobielle måtter er den tidligste form for liv på Jorden, som der er gode fossile beviser for, fra for 3500 millioner år siden, og de var i en lang periode de vigtigste medlemmer af planetens økosystemer. De tidlige stromatolitiske strukturer giver nøgleviden om tidlige metabolismer, sedimentære miljøer og atmosfærens udvikling.

Oprindeligt kan de have været afhængige af hydrotermiskekilder for at få energi og kemisk "føde". Udviklingen af fotosyntesen frigjorde dem gradvist fra den hydrotermiske ghetto ved at give dem en mere udbredt energikilde, nemlig sollyset, selv om de fotosyntetiserende måtter i begyndelsen stadig var afhængige af diffusionen af kemikalier fra hydrotermiske kilder. Den sidste og mest betydningsfulde fase af denne frigørelse var udviklingen af en iltproducerende fotosyntese, da de vigtigste kemiske input hertil er kuldioxid og vand.

Som følge heraf begyndte mikrobiske måtter at producere den atmosfære, som vi kender i dag, og hvor fri ilt er en vigtig bestanddel. Omkring samme tid kan de også have været fødestedet for den mere komplekse eukaryote celletype, som alle flercellede organismer består af.

Historiske forandringer og økologiske konsekvenser

Mikrobielle måtter var talrige på den lavvandede havbund indtil den kambriske substratrevolution, hvor dyr, der levede i lavvandede havområder, øgede deres graveevner og dermed opbrød måtternes overflader og lukkede iltholdigt vand ind i de dybere lag, hvilket forgiftede de iltintolerante mikroorganismer, der levede der. Selv om denne revolution drev måtterne væk fra de bløde gulve i lavvandede have, trives de stadig i mange miljøer, hvor det er begrænset eller umuligt at grave sig ned, herunder klippebunde og kyster, hyper-saltede og brakvandede laguner, og de findes på bundene af de dybe oceaner.

Økologisk rolle og biogeokemiske kredsløb

Mikrobielle måtter spiller en central rolle i lokale og globale kredsløb:

• Kulstof: fotosyntese og heterotrof forbrug påvirker kulstoflagring og frigivelse, og nogle måtter bidrager til langtidslagring gennem mineralisering.
• Svovl: sulfatreducerende bakterier i anaerobe lag producerer sulfider, som igen kan oxyderes i overfladelag af svovloxiderende bakterier.
• Nitrogen: fixation af atmosfærisk kvælstof, nitrifikation og denitrifikation forekommer i forskellige lag.
• Jern og andre metaller: mikroorganismer kan medierer opløsning og udfældning af jern og carbonater.

Moderne forekomster og eksempler

Der findes velkendte moderne lokaliteter med store måtter og stromatolitter, fx hypersaline laguner og indkapslede fladvandssystemer hvor opgravning er begrænset. Mange af disse lokaliteter tjener som levende analoger for tidlige jordiske miljøer og studeres intensivt i forbindelse med både geologi og astrobiologi.

Menneskelig betydning og anvendelser

Da mikrobiske måtter er i stand til at bruge næsten alt som næringsstoffer, er der stor interesse for industriel anvendelse af måtter, især til vandbehandling og rensning af forurening. Anvendelsesområder omfatter:

• Bioremediering af tungmetaller og organiske forurenende stoffer ved hjælp af specialiserede mikrobesamfund.
• Naturlig og konstrueret vådområdebehandling, hvor biofilm- og måtteprocesser omsætter næringsstoffer.
• Biomineralisering til fremstilling af biocement eller kulstoflagrende materialer.
• Grundforskning med potentiale for anvendelse i mikrobiologiske brændselsceller og syntetisk biologi.

Forskning og metoder

Studier af mikrobielle måtter kombinerer feltobservationer, mikroskopi, kemiske målinger og molekylære metoder. Vigtige teknikker er:

• Tværsnitsmikroskopi og konfokal billeddannelse for at visualisere lagdeling.
• Metagenomik og 16S/18S-sekventering for at kortlægge artsdiversitet og funktionelle gener.
• Isotopanalyse for at spore metabolske processer og gamle miljøforhold i fossile prøver.
• Laboratorieforsøg og mikrofluidiske systemer til at undersøge mikro-scale interaktioner.

Trusler, bevarelse og fremtid

Mikrobielle måtter og stromatolitter er sårbare over for menneskerelaterede påvirkninger: fysisk ødelæggelse ved turisme eller infrastrukturs byggeri, ændringer i hydrologi og næringsstoftilførsel (eutrofiering), forurening og stigende havniveauer. Beskyttelse af moderne lokaliteter er vigtig både for biodiversitet og videnskabelig forskning.

Samlet set er mikrobielle måtter ikke kun nøglen til forståelsen af Jordens tidlige liv og atmosfæriske udvikling, men også nyttige i moderne teknologier og økosystemtjenester. Deres komplekse, lagdelte natur gør dem til fascinerende objekter for både grundforskning og anvendt videnskab.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er en mikrobisk måtte?

Sp: Hvem beskrev først mikrobiske måtter?

Spørgsmål: Hvordan dannes mikrobiske måtter?

Spørgsmål: Hvilke fysiske former kan mikrobiske måtter antage?

Sp: Hvornår opstod mikrobiske måtter for første gang på Jorden?

Spørgsmål: Hvor kan vi finde dem i dag?

Spørgsmål: Hvilke industrielle anvendelser har de?

Søg efter bogstav