Название "критическая зона" может навеять ассоциации с боевиками 1980-х годов, но ученые используют этот термин для обозначения участка земной поверхности, ответственного за поддержание жизни. Представляя собой относительно небольшую часть планетарной структуры, она простирается от коренных пород под грунтовыми водами до нижних слоев атмосферы.

"Считайте, что это кожа Земли", - говорит Джон Чоровер, заведующий кафедрой экологических наук в Колледже сельского хозяйства и наук о жизни Университета Аризоны. "Иногда ее называют зоной, где камень встречается с жизнью".

Большинство людей - даже геологи - обычно не задумываются о том, что горная порода является основой жизни или о том, как жизнь может изменить горную породу, но это и есть суть науки о критических зонах, говорит Чоровер.

Критическая зона - относительно новая система подхода к наукам о Земле - объединяет исследователей разных дисциплин, чтобы лучше понять, как тонкая паутина физических, химических и биологических процессов объединяется в систему жизнеобеспечения Земли.

Как биогеохимику, Чороверу, который большую часть своей карьеры посвятил разгадке того, как химическое и минеральное выветривание приводит к эволюции всего - от почвенного микробиома до углеродного цикла, - естественен целостный системный подход.

Вместе с Цянь Фаном, постдокторским исследователем из Пекинского университета в Пекине, Чоровер недавно опубликовал результаты почти 10-летнего изучения данных, собранных в обсерватории критической зоны бассейна реки Санта-Каталина-Джемез, которая охватывает градиент высот и климатических условий на скальных бассейнах в северном Нью-Мексико и южной Аризоне.

Их результаты, по словам Чоровера, обеспечивают "дымящуюся пушку" связи между деятельностью микробов, потребляющих углерод, и преобразованием горной породы в почву, поддерживающую жизнь в критической зоне.
Живая лаборатория под открытым небом

В прошлом измерение таких процессов, как выветривание минералов, часто не было столь захватывающим - представьте себе исследователей, отламывающих куски породы и наблюдающих, как они растворяются в мензурках в лаборатории. Но наблюдать за этим процессом в естественной экологической системе - совсем другое дело.

В обсерватории критической зоны бассейна реки Санта-Каталина-Джемез башни, измеряющие обмен водой между лесом и атмосферой, почвенные зонды, регистрирующие перенос энергии и газов, и множество других приборов, установленных в окружающей среде, позволяют ученым воочию увидеть сложные системы критической зоны.

Этот объект является частью более крупной программы Национального научного фонда "Обсерватория критической зоны", которая, в отличие от традиционных обсерваторий с кирпичной кладкой, представляет собой сеть региональных экологических сред, оснащенных научными приборами, по всей территории США.

Датчики температуры, влажности и газа на участке собирают данные каждые 15 минут, и после обобщения и сопоставления данных "мы обнаружили сильную связь между скоростью выветривания породы для формирования почвы и активностью микробиома в недрах", - сказал Чоровер, главный исследователь обсерватории Каталина-Джемез.
Нарушение цикла "камень - жизнь

"Минералы, микроорганизмы и органика являются одними из самых важных компонентов земной поверхности", - сказал Фанг. "Они постоянно взаимодействуют друг с другом, обеспечивая всю земную жизнь питательными веществами, энергией и подходящими условиями для жизни".

Эти минералы в критической зоне постоянно подвергаются атаке микроорганизмов, органических кислот и воды, объяснил Фанг. По мере разрушения минералов микробы в почве потребляют новые органические вещества и превращают их в материал, который служит пищей для растений и других микроорганизмов, выделяя при этом углекислый газ.

Предыдущие исследования показывают, что микробное разложение органического вещества почвы может быть ускорено, когда в почвенную систему вносится больше "свежей" органики - например, растительной массы. Этот процесс почвоведы называют "эффектом подпитки". Однако связь между минеральным выветриванием и микробным грунтованием остается неясной.

"Наше исследование впервые показывает, как эти важнейшие почвенные процессы связаны между собой, и эти два процесса постоянно влияют на формирование почвы, выбросы CO2 и глобальный климат", - сказал Фанг. "Эти связи могут быть даже связаны с долгосрочным круговоротом элементов и быстрым оборотом почвенного углерода и питательных веществ на Земле".

Хотя легко воспринимать успех растений и микроорганизмов как удачное обстоятельство окружающей среды, Чоровер сказал, что это исследование доказывает, что даже самые маленькие части критической зоны играют существенную роль.

"Оно показывает, что жизнь - не просто пассивный пассажир на траектории эволюции критической зоны, а активный инженер, определяющий направление и путь эволюции кожи Земли", - сказал Чоровер.

Работа опубликована в журнале Nature Communications.