Den 14 november 1963 rapporterade en fiskare om en mystisk rökpelare som reste sig ur havet utanför Islands sydkust. En vulkan på havets botten hade fått ett utbrott. Det var början till födelsen av en helt ny ö. Fem år senare stod ön Surtsey redo att ta emot livet i några av de former som utvecklats på vår planet. Isländska myndigheter var kloka nog att skydda ön från allmänheten. Det gör att forskare har kunnat studera hur växter, djur och mikroorganismer tar sig dit och etablerar sig. Det har också varit möjligt att följa hur ett ekosystem utvecklas från start, utan att människor lägger sig i. Forskarna studerade vad som behövs för att liv ska etablera sig på en ö som helt består av stelnad lava och vulkansand. Först måste växterna etablera sig. De blir mat åt bakterier, svampar och småkryp som bryter ner döda växtdelar. Insekter kan leva av blad eller suga nektar ur blommorna. Många landlevande fåglar äter växtfrön eller insekter. Men vad behöver växterna för att kunna klara sig på ön?

Förutom solljus och koldioxid från luften, behöver växter vatten och näringsämnen från marken. De viktigaste näringsämnena är kväve (N), fosfor (P), kalium (K), kalcium (Ca), svavel (S) och magnesium (Mg). Sedan behövs det en del ämnen i små mängder som till exempel koppar (Cu), zink (Zn) och järn (Fe). Lavan på Surtsey vittrar sönder till grus när den utsätts för väder och vind. Vulkanen släpper också ut koldioxid i luften som gör regnvattnet surt. Det sura regnet gör att olika ämnen från lavagruset blir lösliga. Växterna kan sedan ta upp de lösliga ämnena. De flesta av ämnena som växter behöver finns i lavagruset och genom denna kemiska vittring blir de tillgängliga för de växter som hamnat på ön. Det viktigaste näringsämnet för växterna är kväve och det saknas helt i lavan. Kväve ingår i alla proteiner och i DNA.

I början på 1900-talet kom den tyske kemisten Fritz Haber på en metod för att bryta trippelbindningen i luftens kvävemolekyler (N₂). Ingenjören Carl Bosch anpassade sedan metoden så att det blev möjligt att tillverka konstgödsel i stor skala. Det fick enorm betydelse för jordbruket som nu fick fri tillgång till kvävegödsel. Det gjorde att mer mat kunde odlas och jordens befolkning mångdubblades. Men det finns en baksida. Det går åt mycket energi vid tillverkning av konstgödsel. Energin kommer från förbränning av fossila bränslen som förstärker klimatförändringarna. Överskottet av kväve som sprids på åkrarna rinner ut i sjöar och hav och orsakar övergödning. Men Haber och Boschs metod anses vara en av mänsklighetens viktigaste upptäckter. Fritz Haber fick nobelpriset i kemi 1918 och Carl Bosch fick priset 1931.

Kväve (N₂) finns också i luften (omkring 78 %), men i en form som inte är direkt tillgänglig för växterna. De två kväveatomerna i kvävgas hålls samman av en trippelbindning som måste brytas för att kvävet ska kunna byggas in i proteiner. Det krävs mycket energi att bryta denna bindning. För att bryta trippelbindningen i kvävgasen krävs bakterier som har ett visst enzym. Det finns sådana bakterier på Surtsey, men de arbetar långsamt eftersom de har ont om energi. Men om dessa bakterier samarbetar med växter så får de tillgång till solens energi genom växternas fotosyntes. Då kan de göra en större del av luftens kväve tillgängligt både för sig själva och för växterna. När två arter samarbetar på detta sätt kallas det symbios.

Bakterierna lever i små knölar på växternas rötter och gör om kvävemolekylerna till ammoniumjoner (NH₄⁺). Ammoniumjonerna kan användas av växterna för att tillverka aminosyror som är byggstenar i proteiner.

Den mest kända gruppen av kvävefixerande växter är baljväxterna. Hit hör ärtor och bönor. Även en del träd som al och buskar som pors har knölar på sina rötter med kvävefixerande bakterier. Inga sådana växter har ännu lyckats sprida sig till Surtsey. Därför är det ont om vegetation på ön. De vanligaste växterna på Surtsey har därför stora rotsystem för att kunna suga upp den lilla mängd kväve som trots allt finns där. Till exempel saltarv som består av 3 % skott och 97 % rötter. Men på ett ställe är det blomsterrikt som i en botanisk trädgård och här finns också våtarv som är ett vanligt ogräs i trädgårdar. Finns det ogräs så finns det i regel gott om näring i marken. Där våtarven växer har det bildats ett rejält jordlager med mycket mull som bildats av döda förmultnade växtdelar.

Jord består av mineralpartiklar, mullämnen och håligheter. Håligheterna, eller porerna, är viktiga för det är här vattnet och luften finns. Utan vatten och luft skulle inga växter klara sig. En del porer är så små att bara bakterier och svamphyfer får plats medan andra är tillräckligt stora för att småkryp och maskar ska kunna röra sig fritt. De minsta håligheterna är nästan alltid vattenfyllda medan de större delvis är luftfyllda. Detta porsystem är viktigt för att luft och regnvatten ska kunna tränga ner i marken. Där hålls vattnet kvar och blir tillgängligt för växternas rötter och alla organismer som finns i jord.

Mullämnen har en viktig funktion i marken och bildas när dött växtmaterial förmultnar genom svampars och bakteriers arbete. Mullämnen suger upp vatten på samma sätt som en tvättsvamp och gör att marken hålls fuktig längre efter ett regn. Vulkanaskan på Surtsey är fattig på mull och torkar upp fort när det har regnat. Endast saltarv och andra växter med stora rotsystem klarar sig. Mullämnen kan dessutom binda upp joner av de näringsämnen som växter behöver. Då riskerar näringsämnena inte att läcka ut när det regnar. Växterna lösgör och tar upp dessa joner när de behöver. När döda växtdelar bryts ner frigörs jonerna och fastnar på mullämnena. Det är lite som en bank för näringsämnen. Även lerpartiklar har laddningar på ytan vilket gör att de kan hålla kvar mycket näring. Därför växer det ofta bättre på lerjordar än på sandjordar.

Markens surhetsgrad påverkar också hur bra det växer på marken. För att mäta surhet används pH som är ett logaritmiskt mått på vätejonkoncentrationen i en lösning. En mark med pH-värde 4 i markvätskan har 10 gånger så hög koncentration av vätejoner som en mark med pH-värde 5. Dessa vätejoner konkurrerar med växtnäringens joner om platserna i mullämnena. Blir det för många vätejoner trängs näringsjonerna bort och marken blir näringsfattigare. pH-värdet beror främst på vilken berggrund och vilka mineraler som finns på platsen. När det är surt är det också svårare för mikroorganismerna att bryta ner döda växtdelar. Då tar det längre tid för näringen att cirkulera och insättningen på banken går långsammare. 

Att våtarven växer så bra på en viss plats på Surtsey beror på att gråtrutar började häcka här några år efter att ön bildats. Antalet trutar har ökat från år till år och nu finns ett ganska stort område med frodig vegetation. Fåglarna för med sig fisk till sina ungar och fisken innehåller mycket kväve. Kvävet hamnar i fågelbajset som fungerar som näring för växterna. Redan efter en säsong går det att ana en krans av friskt gräs runt ett fågelrede som lagts på den karga lavan. Fåglarna kan tillföra ungefär lika mycket kväve som en lantbrukare tillför som gödsel till sin åker. Det är inte konstigt att det växer bra där fåglarna häckar. På Surtsey fyller fåglarna samma funktion som bakterierna i knölarna hos al- och ärtväxter eller som konstgödseln på åkern.