Gamle bakterier fra nesten to mil under jordoverflaten: det var det som først trakk Tullis Onstott for å begynne sitt søk på livet på de mest usannsynlige stedene. Geomikrobiologen hadde nettopp deltatt på et amerikansk energidepartement fra 1992 om bergarter som ble anslått å være mer enn 200 millioner år gamle - eldre enn de fleste dinosaurer. Disse forhistoriske bergartene hadde blitt avdekket fra en gassutforskningsbrønn, og de viste seg å være full av bakterier.
Relatert innhold
- Mystisk martianske "blomkål" kan være det siste antydningen om fremmed liv
- En tiårs lang søken for å bore i jordens mantel kan snart treffe lønnsmuss
"Det var ganske utrolig for meg, " sier Princeton University's Onstott. "Ideen om at disse bakteriene hadde bodd i disse triasiske bergartene siden de ble avsatt på et tidspunkt før dinosaurenes alder, fanget den ideen min, " sier han.
Disse bergartene var blant de første store bevisene på at livet fantes miles under jorden, og de startet forskernes innsats for å studere livet i den såkalte dype undergrunnen. I løpet av de siste 20 årene har Onstott og andre funnet ut at det er et større mangfold av liv på mye mer ugjestmilde steder enn noen hadde forestilt seg.
Det er funnet dypt liv over hele verden og under en rekke forhold - i oljefelt og gullgruver, under isplater på Grønland og Antarktis og i sedimenter og bergarter under havbunnen. Disse stedene kan være ekstremt fiendtlige miljøer, med trykk 10 til 100 ganger det på overflaten. Temperaturene kan variere fra nær frysing til mer enn 140 grader Fahrenheit.
En kilometer eller mer under overflaten er det ikke sollys og veldig lite oksygen. I disse stramme miljøene må skapningene skrape liv i den energien de kan hente fra omgivelsene. Dette betyr at tempoet i livet der nede noen ganger kan være utrolig treg. Disse mikroberne kan være tusenvis eller millioner ganger mindre rik enn brødrene deres over bakken. Og noen kan ha eksistert i hundrevis, tusenvis eller til og med millioner av år - ekte mikroskopiske Methuselahs.
Disse skapningene i dypet er forskjellige, bestående av bakterier og andre encellede organismer kalt archaea. Det er til og med flercellede dyr mil under overflaten, inkludert små ormer som kalles nematoder.
"Det som har vært overraskende når vi fortsetter å utforske dette dype skjulte universet, er at det er mer sammensatt der nede enn vi kunne ha forestilt oss da vi begynte å se på triassiske prøver på 90-tallet, " sier Onstott.
Denne kompleksiteten har åpnet for en verden av muligheter for forskere, fra å rydde opp giftig avfall til jakten på utenomjordisk liv. Noen av disse dype organismene lever direkte av metaller og mineraler, og kan påvirke grunnvannet ved å øke eller redusere nivået av arsen, uran og giftige metaller. Forskere håper at disse bakteriene snart kan tilpasses for å felle eller fjerne slike skadelige stoffer fra ting som avløpsvannet som lekker fra en gruve.
Men kanskje mest fristende er ideen om at forholdene dypt under jorden er så fremmede at de kan gi forskere ledetråder om hvor de kan finne utenomjordisk liv - og hvordan det livet kan se ut.
"Det har direkte sammenheng med om liv kan eksistere under overflaten av Mars, " sier Onstott. "Det var virkelig det som trakk meg inn i dette feltet fra get-go, og fremdeles er en driver for meg."
Mellom de ekstreme miljøene og den relative mangel på organismer, forskere går mye - og dybder - for å studere disse mikrober. De våger seg inn i gruver og huler eller bruker bor for å trekke ut prøver fra underjordiske steder eller havbunnen. I noen områder kan det ta flere dager å få til og med en enkelt prøve. "Å gå til jordens ender og bore, eller gå til Arktis og gå under en kilometer under jorden for å få en prøve, det er ikke lett, " sier Onstott.
Probing the Hellish Deepths
Nesten en kilometer under jordoverflaten, dypt inne i Sør-Afrikas Beatrix gullgruve, ser Maggie Lau på livet. Det er varmt og fuktig, og bare hodelykter bryter mørket da Lau, en geomikrobiolog i Onstott-gruppen ved Princeton University, samler vann fra borehull. Dette er hull som er boret i fjellet av geologer som leter etter gass- og vannlommer i forkant av gruvedriften. Lau fyller et utvalg av hetteglass med gass- og vannprøver i volum fra mindre enn en teskje verdt til litt over to halvliter.
Maggie Lau samler borehullsvann i et hetteglass mer enn to mil under jordoverflaten i Sør-Afrikas TauTona gullgruve. (Francois Vermeulen (Geosciences Manager, AngloGold Ashanti Limited)) Gassen som Lau samler kan avsløre hvor eldgamle vannet er. "Prøvene jeg studerer er rundt 40.000 til 80.000 år gamle, " sier hun. Vannet kan ha sin opprinnelse ved overflaten og sildret ned gjennom sprekker gjennom tusenvis eller til og med millioner av år, og ført mikroorganismer enten fra overflaten eller fra grunnere områder i undergrunnen og ned med det.
I motsetning til vannet, tar Lau en raskere og mer dramatisk rute til forskningsstedet. Hun leder nedover en gruvejakt i et heisbur - som faller nesten en kilometer på under ett minutt - og går deretter en kilometer eller mer med en lastet ryggsekk. Noen tunneler krever at forskere kryper, drar pakningene bak seg eller vasser gjennom kne- eller lårhøyt vann i oversvømte seksjoner. Noen ganger er heisen ikke tilgjengelig etter en hard dags arbeid, og Lau og Onstott må ta trappene opp igjen. "Vi fleipet med at dette var som en trapp til himmelen, " sier hun.
I de helvete dypene, der vannet kan nå 130 grader Fahrenheit og bergartene i seg selv er ofte varme å ta på, er det ikke mye liv å finne. For å samle så mange levende celler som mulig for analysen hennes, overlater Lau noen av hetteglassene sine for å filtrere hundrevis til tusenvis av liter vann over flere uker til noen måneder.
Rundt en kilometer under overflaten kan Lau vanligvis finne 1000 til 10 000 celler i mindre enn en teskje vann. Det kan virke som mye, men en klype jord fra hagen din kan inneholde 100 000 til en million ganger så mange celler. På steder som ligger mer enn en kilometer under jorden, kan det være bare 500 celler per teskje vann. Lau anslår at hun måtte filtrere vann kontinuerlig i 200 dager for å få nok DNA og RNA for analysen.
Det kan være vanskelig å dyrke bakteriearter i laboratoriet uten å vite den spesifikke maten de spiser eller de nøyaktige forholdene de trives under. Forskere har bare vært i stand til å dyrke omtrent en prosent av bakteriene de finner på sine dype feltsteder. Som et resultat er de fleste arter bare kjent fra sine unike molekylære signaturer - og DNA- eller RNA-sekvensering har avslørt en mengde tidligere uidentifiserte bakterier i prøvene forskere har samlet der nede.
Denne videoen viser forskere som samler prøver inne i en sørafrikansk gullgruve. (av Gaetan Borgonie)Senest går Lau et skritt utover å finne ut hva som bor der nede - hun vil vite hva de gjør for å leve. Uten sollys og planter for å fange solens energi gjennom fotosyntese, må disse dyptlevende bakteriene overleve på energi fra de kjemiske reaksjonene mellom bergarter og vann. Disse reaksjonene kan produsere hydrogen, metan og sulfater, og forskere trodde at disse tre kjemikaliene ville gi drivstoff for de fleste bakteriene som bor i disse dype miljøene.
Til hennes overraskelse fant Lau at dette ikke var tilfelle. I stedet opprettholder kjemikaliene bare et mindretall av bakteriene, som deretter produserer svovel og nitrater. Bakterier som matet på disse sekundære kjemikaliene dominerte i disse miljøene.
Dette betyr at når forskere søker etter dypt liv, enten på jorden eller på andre verdener, burde forskere se etter et bredere spekter av metabolske reaksjoner. “Ikke bare fokuser på de få store prosessene. Vi burde være mer åpne for å se på det fullstendige og komplette stoffskiftelandskapet, sier Lau.
"Å kunne se hva de alle gjør der nede, er absolutt det mest spennende, noe vi alltid har ønsket å gjøre og prøve å finne ut hvordan vi skal gjøre de siste 20 årene, og nå kan vi endelig gjør det, sier Onstott.
"[Lau's] første øyeblikksbilde, det er som å få det første bildet tilbake fra Mars eller noe, det er utrolig, " legger han til.
En veritabel dyrehage
Der det er byttedyr, er det vanligvis rovdyr. Og bakterier lager et smakfullt måltid for mange skapninger.
Da Gaetan Borgonie hørte om disse dype bakteriene, lurte han på om han kunne finne ormer kalt nematoder - som livnærer seg av bakterier - på de samme underjordiske stedene. Borgonie, zoolog ved Extreme Life Isyensya i Gentbrugge, Belgia, hadde jobbet på disse ormene i 20 år. Han visste at nematoder kunne overleve et bredt spekter av forhold på overflaten, inkludert ekstremt varme eller kalde temperaturer og veldig lave oksygennivåer, så i teorien var de godt egnet til forhold dypt under jorden.
Borgonie kalte Onstott, som inviterte ham til å komme og utforske gruvene i Sør-Afrika. Men å finne disse ormene var ikke lett. Selv om de er svært rikelig på overflaten, måtte Borgonie i gruvene prøve mer enn 2500 liter vann for å finne en enkelt nematode. "Du må virkelig endre tankesettet ditt og la det du vet fra overflaten, fordi undergrunnen er en annen planet, " sier han.
Borgonie oppdaget et stort antall nematoder som bodde i gruvene i 3000 til 12 000 år gammelt vann fra borehull, så vel som i stalaktitter som henger fra gruvets tunneler. Disse inkluderer en ny art som ble funnet nesten en kilometer under overflaten, og en annen uidentifisert orm som levde mer enn to mil nede. Disse dyrene var det første beviset på flercellede, eukaryote liv så dypt, sier Borgonie.
I motsetning til de unike bakteriene som finnes på disse dypet, tilhørte det store flertallet av ormene arter som ble funnet på overflaten. "Disse dyrene er allerede vant til å stresse, og de som er opportunistiske på overflaten klarer seg veldig godt under jorden, " sier Borgonie.
Dype miljøer kan faktisk gi noen fordeler, gitt de stabile forholdene og mangelen på rovdyr for ormene. "For dem er det som en ferie, " sier Borgonie.
Hvite piler peker på bakterier som finnes i biofilmer i borehullsvann fra Sør-Afrikas Kopanang gullgruve. (Gaetan Borgonie) Overbevist om at det må være flere slike skapninger som bor i gruvene, forlot Borgonie prøvetakingsutstyret sitt i Sør-Afrikas Driefontein gullgruve i to år for å filtrere mer enn tre millioner liter vann - nok til å fylle nesten fem svømmebassenger i olympisk størrelse.
"Det var da vi fant hele dyrehagen, " sier Borgonie. Han identifiserte flere andre flercellede organismer, inkludert flatorm og segmenterte ormer, samt det som så ut til å være et krepsdyr. Nesten alle disse artene overlevde ved å spise bakterier.
Oppdagelsen av disse organismene er oppmuntrende for forskere som leter etter utenomjordisk liv, sier Borgonie. "Jeg synes det er veldig bra at vi finner et så stort økosystem under jorden, " sier han. "Hvis vi kan bevise at de kan overleve på ubestemt tid under jorden, kan det være veldig gode nyheter for folk som søker etter liv på Mars."
"Jeg vil virkelig elske [å gjøre] dette arbeidet på planeten Mars, " sier han. "Derfor sier jeg alltid at hvis de noen gang gir meg enveisbillett til Mars, er jeg borte."
Den fremmede dypet
Borgonie har kanskje ikke billetten sin ennå, men kommende romfartsoppdrag kan gi oss et bedre inntrykk av om andre deler av solsystemet kan støtte livet.
"Noe av det som har gitt mennesker en følelse av optimisme når det gjelder astrobiologi, er funnet at det er organismer som kan vedvare under det vi vil anse som ekstreme forhold, " sier Tori Hoehler, astrobiolog ved NASA Ames Research Center. Hoehler er medlem av NASA Astrobiology Institutes Rock-Powered Life-team, som studerer hvordan reaksjoner mellom forskjellige typer bergarter og vann kan generere nok energi til å støtte livet.
"En av de mest utbredte naturtypene som er tilgjengelig der ute, er den som er definert av stein og vann, " sier Hoehler. Du kan forestille deg akviferer som sitter dypt under Mars 'overflate eller havene som skrår over den steinete jordskorpen på Jupiters måne Europa eller Saturns måne Enceladus, sier han.
NASAs Europa Multiple Flyby Mission, som forventes å starte i løpet av de neste fem til ti årene, vil gi forskere en bedre ide om hvorvidt Jupiters isete måne har noen miljøer som kan støtte livet. Når det gjelder Mars, har forskere gått fra å spørre om de kan finne beboelige miljøer til å faktisk se etter bevis på selve livet, sier Hoehler.
Selv om forholdene på Marsoverflaten for øyeblikket er ekstremt ugjestmilde for livet, ser det ut til at planeten har hatt en atmosfære og overflatevann på et tidspunkt i sin fortid. Hvis livet hadde utviklet seg da, kunne det ha spredd seg til den Martiske undergrunnen, der miljøet holdt seg stabilt selv om overflaten ble fiendtlig. Det er mulig at livet fortsatt vedvarer dypt under jorden, og venter på at vi skal grave det ut.
En kunstners gjengivelse av ESAs ExoMars Rover, som vil bære en drill designet for å undersøke ned til 6, 5 fot under Marsoverflaten. (ESA) Vi trenger ikke å vente for lenge for å få vår første kikk under Marsoverflaten. Det europeiske romfartsorganets ExoMars-oppdrag 2018 vil bore cirka seks meter under Marsoverflaten for å se etter tegn på liv. Det er kanskje ikke dypt nok til å finne levende organismer, men det bør være langt nok under overflaten til at vi kan finne bevis på liv.
Mer enn 20 år siden eldgamle bakterier først ga ham et innblikk i jordas dype liv, kan ikke Onstott vente med å se hva vi finner på Mars, spesielt når forskere kan grave litt dypere.
"Hvis det er en søt flekk på Mars, et sted der du bare får den rette balansen mellom temperatur og vann, kan det være organismer som overlever under disse forholdene."
Lær om denne forskningen og mer på Deep Carbon Observatory.
