Oude bacteriën van bijna twee mijl onder het aardoppervlak: dat trok Tullis Onstott voor het eerst om zijn zoektocht naar leven op de meest onwaarschijnlijke plaatsen te beginnen. De geomicrobioloog was net op een bijeenkomst van het US Department of Energy in 1992 geweest over rotsen die naar schatting meer dan 200 miljoen jaar oud zijn - ouder dan de meeste dinosauriërs. Deze prehistorische rotsen waren opgegraven uit een gasexploratieput en bleken vol te zitten met bacteriën.
gerelateerde inhoud
- Mysterious Martian "Bloemkool" kan de nieuwste hint van buitenaards leven zijn
- Een tientallen jaren durende zoektocht om in de mantel van de aarde te boren, kan binnenkort op vuil betalen
"Dat was behoorlijk verbazingwekkend voor mij", zegt Onstott van Princeton University. "Het idee dat deze bacteriën in deze Trias leefden sinds ze werden gedeponeerd op een tijdstip voorafgaand aan de leeftijd van de dinosauriërs, viel dat idee mij aan", zegt hij.
Deze rotsen waren een van de eerste substantiële bewijzen dat het leven kilometers onder de grond bestond, en ze brachten de inspanningen van onderzoekers om het leven in de zogenaamde diepe ondergrond te bestuderen in een stroomversnelling. In de afgelopen 20 jaar hebben Onstott en anderen geconstateerd dat er op veel meer onherbergzame plaatsen een grotere variëteit aan leven is dan iemand zich had voorgesteld.
Diep leven is overal ter wereld en onder verschillende omstandigheden gevonden - in olievelden en goudmijnen, onder ijskappen in Groenland en Antarctica en in sedimenten en rotsen onder de oceaanbodem. Deze plaatsen kunnen extreem vijandige omgevingen zijn, met drukken die 10 tot 100 keer zo hoog zijn als aan de oppervlakte. Temperaturen kunnen variëren van bijna bevriezen tot meer dan 140 graden Fahrenheit.
Een mijl of meer onder het oppervlak is er geen zonlicht en heel weinig zuurstof. In deze sobere omgevingen moeten wezens hun brood verdienen met alle energie die ze uit hun omgeving kunnen halen. Dit betekent dat het tempo van het leven daar beneden soms ongelooflijk traag kan zijn. Deze microben kunnen duizend- of miljoenvoudig minder overvloedig zijn dan hun broeders boven de grond. En sommige kunnen er honderden, duizenden of zelfs miljoenen jaren zijn geweest - echte microscopische Methuselahs.
Deze diepe wezens zijn divers en bestaan uit bacteriën en andere eencellige organismen die archaea worden genoemd. Er zijn zelfs meercellige dieren mijlen onder het oppervlak, inclusief kleine wormen die nematoden worden genoemd.
"Wat verrassend is toen we doorgaan met het verkennen van dit diep verborgen universum, is dat het daar beneden complexer is dan we ons ooit hadden kunnen voorstellen toen we in de jaren 90 naar Trias-monsters begonnen te kijken", zegt Onstott.
Die complexiteit heeft een wereld van mogelijkheden voor onderzoekers geopend, van het opruimen van giftig afval tot het zoeken naar buitenaards leven. Sommige van deze diepe organismen voeden zich rechtstreeks met metalen en mineralen en kunnen het grondwater beïnvloeden door de niveaus van arseen, uranium en giftige metalen te verhogen of te verlagen. Wetenschappers hopen dat deze bacteriën snel kunnen worden aangepast om dergelijke schadelijke stoffen op te vangen of te verwijderen uit dingen zoals het afvalwater dat uit een mijn lekt.
Maar misschien het meest verleidelijk is het idee dat de omstandigheden diep onder de grond zo vreemd zijn dat ze onderzoekers aanwijzingen kunnen geven over waar ze buitenaards leven kunnen vinden - en hoe dat leven eruit zou kunnen zien.
"Het houdt rechtstreeks verband met de vraag of er leven zou kunnen bestaan onder het oppervlak van Mars, " zegt Onstott. "Dat is echt wat me vanaf het begin in dit veld trok, en is nog steeds een bestuurder voor mij."
Tussen de extreme omgevingen en de relatieve schaarste van organismen, gaan onderzoekers tot het uiterste - en diepten - om deze microben te bestuderen. Ze wagen zich in mijnen en grotten of gebruiken boren om monsters te nemen van onderaardse locaties of de oceaanbodem. In sommige gebieden kan het enkele dagen duren om zelfs maar één monster te krijgen. "Naar de uiteinden van de aarde gaan en boren, of naar het Noordpoolgebied gaan en een mijl onder de grond gaan om een monster te krijgen, het is niet eenvoudig, " zegt Onstott.
De helse diepten onderzoeken
Bijna een mijl onder het aardoppervlak, diep in de Beatrix-goudmijn van Zuid-Afrika, zoekt Maggie Lau naar leven. Het is heet en vochtig en alleen koplampen doorbreken de duisternis terwijl Lau, een geomicrobioloog in de groep van Onstott aan de Princeton University, water verzamelt uit boorgaten. Dit zijn gaten die in de rotsen zijn geboord door geologen die op zoek zijn naar gas- en waterzakken voorafgaand aan mijnbouwactiviteiten. Lau vult een assortiment flacons met gas- en watermonsters die in volume variëren van minder dan een theelepel tot iets meer dan twee pinten.
Maggie Lau verzamelt boorgatwater in een flesje meer dan twee mijl onder het aardoppervlak in de TauTona-goudmijn van Zuid-Afrika. (Francois Vermeulen (Geosciences Manager, AngloGold Ashanti Limited)) Het gas dat Lau verzamelt, kan onthullen hoe oud het water is. "De monsters die ik bestudeer, zijn ongeveer 40.000 tot 80.000 jaar oud", zegt ze. Het water is mogelijk aan de oppervlakte ontstaan en is door duizenden of zelfs miljoenen jaren door scheuren naar beneden gedruppeld, waardoor micro-organismen van het oppervlak of van ondiepere gebieden van de ondergrond naar beneden zijn gekomen.
In tegenstelling tot het water, neemt Lau een snellere en meer dramatische route naar de onderzoekslocatie. Ze gaat door een mijnschacht in een liftkooi - die bijna een mijl in minder dan een minuut zakt - en loopt dan een mijl of meer met een geladen rugzak. Sommige tunnels vereisen dat onderzoekers kruipen, hun roedels achter zich slepen of door knie- of dijhoog water waden in ondergelopen secties. Af en toe is de liftkooi niet beschikbaar na een dag hard werken en moeten Lau en Onstott de trap weer op. "We maakten een grapje dat dit als een trap naar de hemel was", zegt ze.
In de helse diepten, waar het water 130 graden Fahrenheit kan bereiken en de rotsen zelf vaak warm aanvoelen, is er niet veel leven te vinden. Om zoveel mogelijk levende cellen voor haar analyse te verzamelen, laat Lau enkele van haar flesjes achter om honderden tot duizenden liters water over een aantal weken tot een paar maanden te filteren.
Ongeveer een mijl onder het oppervlak, vindt Lau meestal 1.000 tot 10.000 cellen in minder dan een theelepel water. Dat lijkt misschien veel, maar een snufje aarde uit je achtertuin kan 100.000 tot een miljoen keer zoveel cellen bevatten. Op locaties meer dan een kilometer onder de grond zijn er misschien slechts 500 cellen per theelepel water. Lau schat dat ze 200 dagen lang continu water moet filteren om voldoende DNA en RNA voor haar analyse te krijgen.
Het kan moeilijk zijn om bacteriesoorten in het laboratorium te laten groeien zonder het specifieke voedsel te kennen dat ze eten of de precieze omstandigheden waaronder ze gedijen. Wetenschappers zijn slechts in staat geweest om ongeveer één procent van de bacteriën die ze op hun diepe veldlocaties vinden, te laten groeien. Als gevolg hiervan zijn de meeste soorten alleen bekend vanwege hun unieke moleculaire kenmerken - en DNA- of RNA-sequencing heeft een overvloed aan voorheen niet-geïdentificeerde bacteriën onthuld in de monsters die wetenschappers daar hebben verzameld.
Deze time-lapse-video toont onderzoekers die monsters verzamelen in een Zuid-Afrikaanse goudmijn. (door Gaetan Borgonie)Onlangs ging Lau nog een stap verder dan erachter te komen wat daar beneden leeft - ze wil weten wat ze voor de kost doen. Zonder zonlicht en planten om de energie van de zon te vangen door fotosynthese, moeten deze diep levende bacteriën overleven op energie van de chemische reacties tussen rotsen en water. Deze reacties kunnen waterstof, methaan en sulfaten produceren, en wetenschappers dachten dat deze drie chemicaliën de meerderheid van de bacteriën zouden voeden die in deze diepe omgevingen leven.
Tot haar verrassing ontdekte Lau dat dit niet het geval was. In plaats daarvan onderhouden de chemicaliën slechts een minderheid van de bacteriën, die vervolgens zwavel en nitraten produceren. Bacteriën die zich voedden met deze secundaire chemicaliën domineerden in deze omgevingen.
Dit betekent dat wetenschappers bij het zoeken naar diep leven op aarde of op andere werelden op zoek moeten naar een breder scala aan metabole reacties. “Focus je niet alleen op de enkele grote processen. We moeten meer open staan voor het volledige en volledige metabolische landschap, ”zegt Lau.
“In staat zijn om echt te zien wat ze daar allemaal doen, is absoluut het meest opwindende, iets dat we altijd al willen doen en proberen uit te zoeken hoe we het de afgelopen 20 jaar kunnen doen, en nu kunnen we eindelijk doen, "zegt Onstott.
"[Lau's] eerste momentopname, het is alsof je de eerste afbeelding terughaalt van Mars of zoiets, het is ongelooflijk, " voegt hij eraan toe.
Een echte dierentuin
Waar prooi is, zijn er meestal roofdieren. En bacteriën maken een smakelijke maaltijd voor veel wezens.
Toen Gaetan Borgonie over deze diepe bacteriën hoorde, vroeg hij zich af of hij wormen, nematoden genaamd - die zich op bacteriën voeden - op dezelfde ondergrondse plaatsen kon vinden. Borgonie, een zoöloog bij Extreme Life Isyensya in Gentbrugge, België, had 20 jaar aan deze wormen gewerkt. Hij wist dat nematoden een breed scala aan omstandigheden aan het oppervlak konden overleven, waaronder extreem warme of koude temperaturen en zeer lage zuurstofniveaus, dus in theorie waren ze goed geschikt voor omstandigheden diep onder de grond.
Borgonie belde Onstott, die hem uitnodigde om de mijnen in Zuid-Afrika te verkennen. Maar het vinden van deze wormen was niet eenvoudig. Hoewel ze aan de oppervlakte zeer overvloedig zijn, moest Borgonie in de mijnen meer dan 2500 liter water bemonsteren om een enkele nematode te vinden. "Je moet echt je manier van denken veranderen en laten wat je weet aan de oppervlakte, want ondergronds is een andere planeet, " zegt hij.
Borgonie ontdekte een groot aantal nematoden die in de mijnen leefden in 3000 tot 12.000 jaar oud water uit boorgaten, evenals in stalactieten die aan de tunnels van de mijn hangen. Deze omvatten een nieuwe soort die bijna een mijl onder het oppervlak werd gevonden, en een andere niet-geïdentificeerde worm die meer dan twee mijl naar beneden leefde. Deze dieren waren het eerste bewijs van meercellige, eukaryotische leven zo diep, zegt Borgonie.
In tegenstelling tot de unieke bacteriën die op deze diepten worden gevonden, behoorde het overgrote deel van de wormen tot soorten die op het oppervlak voorkomen. "Deze dieren zijn al gewend aan stress en degenen die aan de oppervlakte opportunistisch zijn, doen het heel goed onder de grond", zegt Borgonie.
Diepe omgevingen bieden misschien enkele voordelen, gezien de stabiele omstandigheden en het ontbreken van roofdieren voor de wormen. "Voor hen is het als een vakantie, " zegt Borgonie.
Witte pijlen wijzen op bacteriën in biofilms in boorgatwater uit de Kopanang-goudmijn in Zuid-Afrika. (Gaetan Borgonie) Ervan overtuigd dat er meer van dergelijke wezens in de mijnen moeten wonen, liet Borgonie zijn bemonsteringsapparatuur twee jaar in de goudmijn van Driefontein in Zuid-Afrika om meer dan drie miljoen liter water te filteren - genoeg om bijna vijf olympische zwembaden te vullen.
"Toen hebben we de hele dierentuin gevonden, " zegt Borgonie. Hij identificeerde verschillende andere meercellige organismen, waaronder platwormen en gesegmenteerde wormen, evenals wat een schaaldier leek te zijn. Bijna al deze soorten overleefden door het eten van bacteriën.
De ontdekking van deze organismen is bemoedigend voor wetenschappers die op zoek zijn naar buitenaards leven, zegt Borgonie. "Ik vind het heel goed dat we zo'n enorm ecosysteem onder de grond vinden", zegt hij. "Als we kunnen bewijzen dat ze voor onbepaalde tijd ondergronds kunnen overleven, dan is het misschien heel goed nieuws voor mensen die op zoek zijn naar leven op Mars."
"Ik zou dit werk op de planeet Mars heel graag [doen]", zegt hij. "Daarom zeg ik altijd: als ze me ooit een enkeltje naar Mars geven, ben ik weg."
The Alien Deep
Borgonie heeft zijn kaartje misschien nog niet, maar aanstaande ruimteverkenningsmissies kunnen ons een beter idee geven of andere delen van het zonnestelsel het leven zouden kunnen ondersteunen.
"Een van de dingen die mensen een gevoel van optimisme geven waar het astrobiologie betreft, is de ontdekking dat er organismen zijn die kunnen overleven in wat we als zeer extreme omstandigheden zouden beschouwen, " zegt Tori Hoehler, een astrobioloog bij het NASA Ames Research Center. Hoehler is lid van het Rock-Powered Life-team van het NASA Astrobiology Institute, dat onderzoekt hoe reacties tussen verschillende soorten rotsen en water voldoende energie kunnen genereren om het leven te ondersteunen.
"Een van de meest voorkomende habitats die daar beschikbaar is, is die van steen en water, " zegt Hoehler. Je kunt je aquifers voorstellen die diep onder het oppervlak van Mars zitten of de oceanen die klotsen boven de rotsachtige korst van Jupiter's maan Europa of de maan Enceladus van Saturnus, zegt hij.
NASA's Europa Multiple Flyby-missie, die naar verwachting in de komende vijf tot tien jaar van start gaat, zal wetenschappers een beter idee geven of Jupiter's ijzige maan omgevingen heeft die het leven kunnen ondersteunen. Wat Mars betreft, zijn onderzoekers niet meer gaan vragen of ze bewoonbare omgevingen kunnen vinden, maar zoeken ze naar bewijs van het leven zelf, zegt Hoehler.
Hoewel de omstandigheden op het Marsoppervlak momenteel uiterst onherbergzaam zijn voor het leven, lijkt de planeet ooit in het verleden een atmosfeer en oppervlaktewater te hebben gehad. Als het leven toen was geëvolueerd, zou het zich kunnen hebben verspreid naar de ondergrond van Mars, waar de omgeving stabiel bleef, zelfs terwijl het oppervlak vijandig werd. Het is mogelijk dat het leven nog steeds diep onder de grond blijft, wachtend op ons om het uit te graven.
De weergave van een kunstenaar van ESA's ExoMars Rover, die een boor draagt die is ontworpen om tot 6, 5 voet onder het Marsoppervlak te sonderen. (ESA) We hoeven niet te lang te wachten om ons eerste kijkje onder het Marsoppervlak te krijgen. De ExoMars-missie van het European Space Agency 2018 zal ongeveer zes voet onder het Marsoppervlak boren om tekenen van leven te zoeken. Dat is misschien niet diep genoeg om levende organismen te vinden, maar het moet ver genoeg onder de oppervlakte zijn dat we bewijs van leven kunnen vinden.
Meer dan 20 jaar geleden dat oude bacteriën hem voor het eerst een kijkje in het diepe leven van de aarde gaven, kan Onstott niet wachten om te zien wat we op Mars vinden, vooral als wetenschappers een beetje dieper kunnen graven.
"Als er een plekje op Mars is, ergens waar je gewoon de juiste balans tussen temperatuur en water krijgt, dan kunnen er organismen overleven onder die omstandigheden."
Meer informatie over dit onderzoek en meer op het Deep Carbon Observatory.
