Głęboko pod naszymi stopami czai się nieznane królestwo, rozległa biosfera, która ma niewielki związek z tym, co dzieje się na powierzchni. Jednak jest ona niewidoczna, dlatego też niedostatecznie zbadana i słabo poznana. Wykorzystując nieczynną kopalnię złota w Południowej Dakocie, naukowcy uzyskali próbki, dzięki którym udało się scharakteryzować blisko 600 genomów niezwykłych drobnoustrojów żyjących pod powierzchnią, nawet z głębokości 1,5 kilometra.
Analizując próbki pobrane w nieczynnej kopalni złota w Black Hills w Południowej Dakocie, naukowcy z Northwestern University scharakteryzowali prawie 600 genomów niezwykłych drobnoustrojów żyjących głęboko pod naszymi stopami. Niektóre z nich są nowe dla nauki.
Według geolog Magdaleny Osburn, która kierowała badaniami, większość drobnoustrojów z tej grupy należy do jednej z dwóch kategorii: minimalistów lub maksymalistów. Mikroby z pierwszej grupy usprawniły swoje życie, spożywając to samo, każdego dnia. Te z drugiej grupy wykształcił nieustanną gotowość do przechwycenia wszelakich przydatnych im zasobów, na które mogą natrafić.
Badania, których opis ukazał się na łamach pisma „Environmental Microbiology” (DOI: 10.1111/1462-2920.16543), nie tylko poszerzają naszą wiedzę na temat drobnoustrojów żyjących głęboko pod ziemią, ale wskazują także na możliwość istnienia życia głęboko pod powierzchnią na przykład Marsa.
Naukowcy ocenili, że gdyby wyciągnąć na powierzchnię wszystkie drobnoustroje żyjące głęboko pod powierzchnią, ilość biomasy przewyższyłaby całe życie w naszych oceanach. Ale do niedawna uważano, że biosfera planety to cienka warstwa na powierzchni i w jej pobliżu, a życie zależy przede wszystkim od fotosyntezy. Ta hipoteza się jednak zmienia.
Znalezienie życia głęboko pod powierzchnią było uważane za niemożliwe ze względu na brak składników chemicznych, które mogłyby wykorzystać żywe stworzenia. Jednak w ostatnich latach kilka badań próbek pobranych z głębokich otworów wiertniczych oraz kopalń - gorących i ciemnych środowisk tradycyjnie uważanych za niegościnne dla życia - wskazało na obecność drobnoustrojów.
Zachęceni znaleziskami naukowcy rozpoczęli poszukiwania, co zaowocowało licznymi odkryciami. W 2019 roku na terenie kopalni Kidd Creek w Kanadzie, 2,5 kilometra pod powierzchnią Ziemi, naukowcy znaleźli żywe mikroorganizmy - z dala od światła słonecznego czy czystego powietrza (więcej na ten temat w tekście: Żywe mikroorganizmy znalezione 2,5 kilometra pod ziemią). Rok później żywe mikroby znaleziono pod oceanicznym dnem (więcej na ten temat w tekście: Odkryto mikroby żyjące głęboko pod dnem oceanu).
Badacze z Northwestern University przyglądnęli się bliżej podziemnym drobnoustrojom i uzyskali blisko 600 genomów tych niezwykłych stworzeń. - Podpowierzchniowa biosfera jest ogromna, bo to po prostu ogromna przestrzeń – powiedziała Osburn. - Wykorzystaliśmy kopalnię jako kanał umożliwiający do niej dostęp. Siła naszych badań polega na tym, że otrzymaliśmy wiele genomów, w tym wiele z niezbadanych grup. Są to organizmy, których często nie możemy hodować w laboratorium ani badać w bardziej tradycyjnych kontekstach. Często nazywane są „mikrobiologiczną ciemną materią”, ponieważ wiemy o niej tak mało – dodała.
W nieczynnej kopalni w Południowej Dakocie znajduje się podziemne laboratorium zwane Sanford Underground Research Facility (SURF). Przeprowadzane są tam liczne badania z różnych dyscyplin naukowych. Osburn od 2015 roku prowadzi tam sześć swoich eksperymentów, które określane są jako Obserwatorium Mikrobiologiczne Deep Mine.
- Kopalnia jest obecnie placówką zajmującą się nauką – powiedziała Osburn. - Naukowcy przeprowadzają tam głównie eksperymenty dotyczące fizyki wysokoenergetycznych cząstek. Ale pozwalają nam także badać głęboką biosferę żyjącą w skałach. Możemy przeprowadzać eksperymenty w kontrolowanym, wyznaczonym miejscu i sprawdzać je kilka miesięcy później, czego nie bylibyśmy w stanie przeprowadzić w czynnej kopalni – zaznaczyła badaczka.
Zespół Osburn przez ostatnie 10 lat regularnie pobierał próbki geochemiczne i mikrobiologiczne z kopalni. Wiercąc otwory w skałach pobierali próbki płynów składających się z wody i rozpuszczonych gazów. Niektóre z tych płynów, jak zaznaczono w komunikacie prasowym, mają nawet 10 tys. lat i są pełne drobnoustrojów.
Nowa publikacja opiera się na analizie ośmiu próbek pobranych w różnych punktach kopalni – od powierzchni do głębokości około 1,5 km. Zakres próbek zapewnia wgląd w gradient życia drobnoustrojów wraz z głębokością.
Naukowcy zsekwencjonowali DNA drobnoustrojów znajdujące się w próbkach, co umożliwiło im scharakteryzowanie prawie 600 genomów. Spośród tej zróżnicowanej społeczności mikrobów Osburn odkryła, że w pewnym momencie każda linia zmierza ku trajektorii definiującej życie: stać się minimalistą lub maksymalistą.
- Wiele drobnoustrojów, które znaleźliśmy, było albo biegłych w jednym zadaniu, które bardzo dobrze wykonywały we współpracy z innymi, podobnymi mikrobami, albo potrafiło zrobić wszystko po trochu – powiedziała Osburn charakteryzując dwie grupy mikrobów z głębin określanych przez nią jako minimaliści i maksymaliści. - Maksymaliści są gotowi na wykorzystanie każdego dostępnego zasobu. Jeśli istnieje możliwość wytworzenia energii lub przekształcenia biocząsteczki, ta społeczność drobnoustrojów jest na to przygotowana. Patrząc na jej genom, możemy stwierdzić, że ma wiele opcji. Jeśli brakuje składników odżywczych, może po prostu stworzyć swój własny – podkreśliła uczona.
Z kolei minimaliści, jak wyjaśniła Osburn, zazwyczaj dzielą się zasobami z towarzyszami, którzy również wykonują wyspecjalizowane zadania. - Niektóre z tych linii nie mają nawet genów umożliwiających wytwarzanie własnych lipidów, co mnie zdumiewa. Bo jak można zbudować komórkę bez lipidów? To trochę tak, jak ludzie nie są w stanie wyprodukować każdego aminokwasu, więc jemy białko, aby uzyskać te aminokwasy, których nie jesteśmy w stanie wytworzyć sami. Ale to, co zaobserwowaliśmy, jest na bardziej ekstremalnym poziomie – zaznaczyła badaczka.
Z badań tych można wyciągnąć ciekawe wnioski. Bo skoro życie mikrobiologiczne jest obecne na naszej planecie głęboko pod jej powierzchnią, to na innych światach może być podobnie. Nasze poszukiwania życia pozaziemskiego, chociażby na Marsie, skupiają się jedynie na badaniu jego powierzchni. Nie dysponujemy co prawda odpowiednimi narzędziami, by zaglądnąć głęboko pod powierzchnię Marsa, ale z tych badań wynika, że warto to zrobić.
Jak stwierdziła Osburn, te podziemne mikroby mogą dostarczyć nam wskazówek na temat tego, co potencjalnie może żyć gdzie indziej. - Jestem bardzo podekscytowana, gdy widzę dowody na istnienie życia drobnoustrojów, które radzą sobie bez nas, bez roślin, bez tlenu i bez atmosfery. Tego rodzaju życie może obecnie istnieć głęboko na Marsie lub w oceanach lodowych księżyców – podkreśliła Osburn.
Źródło: Northwestern University, fot. Sanford Underground Research Facility
