Mikrobiella mattor (stromatoliter): struktur, funktion och jordens tidigaste liv

Upptäck mikrobiella mattor och stromatoliter: struktur, funktion och deras roll som jordens tidigaste livsformer — från hydrotermala ursprung till syreproducerande fotosyntes.

En mikrobisk matta är ett flerskiktat, koordinerat samhälle av mikroorganismer, framför allt bakterier och arkéer, som växer tätt sammanpackade på en yta och interagerar kemiskt och fysikaliskt över mycket korta avstånd. De beskrevs tidigt i historien, bland annat av Paracelsus (~1519),^p1 men deras ekologiska och geobiologiska betydelse blev först klart under den sista fjärdedelen av 1900‑talet.

Struktur och uppbyggnad

Mikrobiella mattor är ofta bara några millimeter till några centimeter tjocka, men kan ändå innehålla starkt varierande mikromiljöer i vertikal riktning. De består av tätt packade celler ordnade i lager, där varje lager domineras av mikroorganismer med olika metaboliska egenskaper beroende på ljus, syre och kemiska substrat.

• Ytlagret innehåller ofta fotosyntetiska bakterier (t.ex. cyanobakterier) som utnyttjar solljus.
• Mellanliggande lager kan rymma fermenterande och näringsomvandlande organismer.
• Bottenlager domineras ofta av anaeroba bakterier och arkéer som använder sulfater, metan eller andra reducerade ämnen.

I fuktiga miljöer binds cellerna samman av slemmiga extracellulära polysackarider (EPS) som utsöndras av mikroorganismerna. Dessa slemmiga ämnen skapar en gelmatris som ger mekanisk stabilitet, håller kvar näringsämnen och vatten samt skyddar mot uttorkning och kemisk stress. ^{118; 1671-7} Vissa arter bildar också trådiga nätverk eller fibriller som ytterligare förstärker mattans struktur.

Funktion och biokemi

Mikrobiella mattor fungerar som mikro‑reaktorer där energi‑ och ämnesflöden tvångsregleras av vertikala kemiska gradienter. Inom några millimeter kan skikten gå från oxiderande till starkt reducerande förhållanden, vilket gör att olika metabolismer samexisterar tätt. Typiska processer är:

• Primärproduktion genom fotosyntes (inklusive syreproducerande fotosyntes hos cyanobakterier).
• Organisk ämnesnedbrytning via aerob och anaerob respiration, fermentering och sulfatreduktion.
• Nitrogenfixering hos vissa bakterier som binder atmosfäriskt kväve.
• Biomineralisering, t.ex. utfällning av kalciumkarbonat som kan leda till bildning av stromatoliter.

Dessa funktioner gör mattor centrala i cykler för kol, kväve, svavel och andra element i de miljöer där de förekommer.

Stromatoliter — pelarliknande strukturer

De mest iögonfallande makroskopiska formerna som mikrobiella mattor kan skapa är platta mattor och stubbiga eller pelarliknande strukturer som kallas stromatoliter. Stromatoliter bildas när mikroorganismer och deras EPS fångar och cementerar sedimentpartiklar eller när biomineralisering utfäller karbonat mellan lagren, så att en laminerad stenart växer uppåt. Stromatoliter kan vara från millimeterstora till flera meter i höjd beroende på tillväxtförhållanden.

Utbredning och tolerans

Mikrobiologiska mattor koloniserar många olika habitat: från nedsänkta och fuktiga ytor till vissa torra ökenmiljöer där krytmattor bildas. De kan förekomma i temperaturer från −40 °C till +120 °C, och några få lever som endosymbionter i djur. Mattorna återfinns på klippor, stränder, i hypersalina och bräckta laguner, på bottnar i djupa hav och i andra miljöer där grävande djur inte lätt kan rubba dem. Efter kambriska tiden minskade de i utbredning på mjuka bottnar eftersom djurgrävning introducerade syre djupt i sedimenten och störde de anaeroba nischerna.

Fossilt bevis och jordens tidigaste liv

Mikrobiella mattor och stromatoliter representerar det äldsta direkta fossila beviset på liv på jorden, med fossil från omkring 3500 miljoner år sedan. De var länge de dominerande livsformerna i många havssystem och spelade en stor roll i planetens geokemiska utveckling.

Betydelse för atmosfären och eukaryoternas ursprung

Det finns starka teorier om att tidiga mikrobiska mattor först utnyttjade energikällor från hydrotermiskaskorstenar, men att utvecklingen av fotosyntesen gjorde att mattorna gradvis frigjordes från detta "hydrotermiska ghettot" genom att kunna använda solljus. Särskilt viktig var utvecklingen av syreproducerande fotosyntes (oxygenisk fotosyntes), eftersom den omvandlar koldioxid och vatten till organiskt material och fritt syre. Denna process bidrog i slutändan till att bygga upp jordens syre­rika atmosfär.

Samtidigt är det möjligt att komplexa celltyper som eukaryoter uppstod i eller i nära anslutning till sådana mikrobiala samhällen genom nära interaktioner och endosymbiotiska händelser. Därmed kan mattor ha spelat en roll i framväxten av allt flercelligt liv.

Ekologisk historia: kambriska substratrevolutionen

Fram till den kambriska substratrevolutionen var mikrobiella mattor mycket vanliga på grunda havsbottnar. När djur utvecklade effektiva grävnings‑ och rörlighetsstrategier ökade bioturbationen kraftigt, mattornas ytor bröts upp och syrerikt vatten trängde ner i sedimentlagren. Detta utsatte syreintoleranta mikroorganismer för dödliga förhållanden och minskade mattornas dominans på mjuka bottnar. Dock fortsätter de att frodas på miljöer där grävande störningar är begränsade eller omöjliga.

Moderna funktioner och mänskliga tillämpningar

Ett stort intresse finns för att använda mikrobiella mattor industriellt eftersom de kan metabolisera ett brett spektrum av kemikalier och föroreningar. Exempel på tillämpningar:

• Bioremediering och rengöring av föroreningar i vatten och sediment, inklusive vissa tungmetaller och organiska miljögifter (föroreningar).
• Avlopps‑ och vattenrening där mattor fungerar som biologiska filter och reduktionszoner för näringsämnen.
• Biokatalys och syntes av värdefulla biokemikalier genom kontrollerade matsamhällen.

Studietekniker och forskning

Studier av mikrobiella mattor kombinerar fältobservationer med laboratorieexperiment och molekylära metoder. Vanliga tekniker är:

• Mikroskopi och avbildning (t.ex. konfokalmikroskopi) för att kartlägga struktur och EPS.
• Geokemiska analyser och isotopstudier för att förstå ämnesflöden och fossilisering.
• Metagenomik, metatranskriptomik och andra molekylära metoder för att kartlägga vilka arter som finns och vilka metabola vägar som är aktiva.
• Laboratoriekulturer och mikrofluidiska system för att studera interaktioner och gradientbildning under kontrollerade förhållanden.

Hot och bevarande

Mikrobiella mattor hotas av direkta mänskliga påverkan såsom fysisk störning (bebyggelse, turism, muddring), förändrade hydrologiska förhållanden, föroreningar och introduktion av nya arter. Eftersom de spelar viktiga roller i lokala ekosystem och i bevarandet av geologiska register (fossila stromatoliter) är skydd och restaurering av skyddsvärda populationer viktiga forskningsområden.

Astrobiologi och sökandet efter liv

På grund av sin förmåga att skapa tydliga sedimentära strukturer och kemiska signaturer används mikrobiella mattor och stromatoliter som modeller för att söka efter livstecken på andra planeter, särskilt Mars. Biomarkörer som kol‑ och svavelisotoper, mikrofossiler och laminerade strukturer kan ge ledtrådar om tidigare mikrobielt liv.

Sammanfattningsvis är mikrobiella mattor komplexa, mångfacetterade samhällen som har spelat och fortsätter att spela avgörande roller i planetens kemi, ekologi och evolution. De är också viktiga både som föremål för grundforskning och som tillämpningar inom miljöteknik.

Frågor och svar

F: Vad är en mikrobiell matta?

F: Vem beskrev först mikrobiella mattor?

F: Hur bildas mikrobiella mattor?

F: Vilka fysiska former kan mikrobiella maskar anta?

F: När uppstod mikrobiella mattor för första gången på jorden?

F: Var kan man hitta dem i dag?

F: Vilka är deras industriella användningsområden?

Sök med bokstav