Wenn man alle Mikroben zusammenzählt, die tief unter der Erdoberfläche leben, übersteigt die Menge an Biomasse alles Leben in unseren Ozeanen.
Aber weil dieses Leben in Hülle und Fülle so schwer zu erreichen ist, wird es kaum erforscht und unvollständig verstanden. Durch den Zugang zum tiefen Untergrund über eine ehemalige Goldmine in einem Labor in den Black Hills in South Dakota haben Forscher der Northwestern University die bislang vollständigste Karte der schwer fassbaren und ungewöhnlichen Mikroben unter unseren Füßen erstellt.
Insgesamt charakterisierten die Forscher fast 600 mikrobielle Genome – einige davon sind neu für die Wissenschaft. Die nordwestliche Geowissenschaftlerin Magdalena Osburn, die die Studie leitete, sagt, dass die meisten Mikroben dieser Gruppe in eine von zwei Kategorien passen: „Minimalisten“, die ihr Leben rationalisiert haben, indem sie den ganzen Tag und jeden Tag das Gleiche gegessen haben, und „Maximalisten“. die bereit und bereit sind, gierig jede Ressource zu ergreifen, die ihnen in den Weg kommt.
Das Tagebuch Umweltmikrobiologie hat die Studie angenommen. Ein frühe Version Das Manuskript ist jetzt online verfügbar.
Die neue Studie erweitert nicht nur unser Wissen über die Mikroben, die tief im Untergrund leben, sondern weist auch auf mögliches Leben hin, das wir eines Tages auf dem Mars finden könnten. Da die Mikroben von Ressourcen in Gesteinen und Wasser leben, die physisch von der Oberfläche getrennt sind, könnten diese Organismen möglicherweise auch in den staubigen roten Tiefen des Mars überleben.
„Die tiefe Biosphäre unter der Oberfläche ist riesig; es ist einfach eine riesige Menge Weltraum“, sagte Osburn, außerordentlicher Professor für Erd- und Planetenwissenschaften am Weinberg College of Arts and Sciences der Northwestern University.
„Wir nutzten die Mine als Kanal, um Zugang zu dieser Biosphäre zu erhalten, die schwer zu erreichen ist, egal wie man sich ihr nähert. Die Aussagekraft unserer Studie besteht darin, dass wir am Ende viele Genome erhalten haben, viele davon von wenig erforschten Gruppen. Aus dieser DNA.“ , können wir verstehen, welche Organismen unter der Erde leben und erfahren, was sie tun könnten. Dies sind Organismen, die wir oft nicht im Labor züchten oder in traditionelleren Kontexten untersuchen können. Sie werden oft als „mikrobielle dunkle Materie“ bezeichnet, weil wir so wenig wissen über sie.“
Ein Portal in die Erdkruste
Seit zehn Jahren besuchen Osburn und ihre Schüler regelmäßig die ehemalige Homestake Mine in Lead, South Dakota, um geochemische und mikrobielle Proben zu sammeln. Das tief unter der Erde liegende Labor, das heute Sanford Underground Research Facility (SURF) heißt, beherbergt eine Reihe von Forschungsexperimenten in verschiedenen Disziplinen. Im Jahr 2015 richtete Osburn im gesamten SURF-Bereich sechs Versuchsstandorte ein, die zusammen als Deep Mine Microbial Observatory bezeichnet werden.
„Die Mine ist jetzt eine Einrichtung, die der Untergrundwissenschaft gewidmet ist“, sagte Osburn. „Forscher führen hauptsächlich Experimente zur Hochenergie-Teilchenphysik durch. Sie ermöglichen uns aber auch, die tiefen Biosphären zu untersuchen, die in den Gesteinen leben. Wir können Experimente an einem kontrollierten, dafür vorgesehenen Ort einrichten und sie Monate später überprüfen, was uns nicht möglich wäre.“ in einem aktiven Bergwerk zu tun.“
Durch das Bohren von Löchern in das Gestein innerhalb der Mine fangen Osburn und ihr Team Bruchflüssigkeiten ein, die aus Wasser und gelösten Gasen bestehen. Einige dieser Flüssigkeiten sind bis zu 10.000 Jahre alt und wimmeln von mikrobiellem Leben, das sonst isoliert und ignoriert wird.
In der neuen Studie sammelten Osburn und ihr Team acht Flüssigkeitsproben, die an verschiedenen Stellen in der Mine gesammelt wurden – von der Oberfläche bis in eine Tiefe von etwa 1,5 Kilometern. Die Auswahl an Proben bietet einen tiefen Einblick in den Verlauf des mikrobiellen Lebens.
Minimalisten vs. Maximalisten
Zurück in Osburns Labor an der Northwestern University sequenzierten sie und ihr Team die in den Proben enthaltene mikrobielle DNA. Von den fast 600 charakterisierten Genomen repräsentierten Mikroben 50 verschiedene Phyla und 18 Kandidatenphyla.
Osburn entdeckte, dass jede Abstammungslinie dieser vielfältigen Gemeinschaft von Mikroben irgendwann einen lebensbestimmenden Weg einschlägt: ein Minimalist oder ein Maximalist zu werden.
„Viele der Mikroben, die wir gefunden haben, waren entweder minimalistisch: extrem stromlinienförmig mit einer Aufgabe, die sie zusammen mit einem engen Konsortium von Mitarbeitern sehr gut erledigen, oder sie können ein bisschen von allem“, sagte Osburn. „Diese Maximalisten sind für jede Ressource bereit, die ihnen zur Verfügung steht. Wenn es die Möglichkeit gibt, etwas Energie zu erzeugen oder ein Biomolekül umzuwandeln, ist es vorbereitet. Wenn wir uns sein Genom ansehen, können wir erkennen, dass es viele Optionen hat. Wenn Nährstoffe knapp sind, dann.“ kann es einfach selbst machen.
Die Minimalisten, erklärte Osburn, teilen ihre Ressourcen normalerweise mit Freunden, die ebenfalls spezielle Jobs haben.
„Einige dieser Abstammungslinien haben nicht einmal Gene, um ihre eigenen Lipide herzustellen, was mich umgehauen hat“, sagte Osburn. „Denn wie kann man eine Zelle ohne Lipide herstellen? Es ist so, als ob Menschen nicht jede Aminosäure herstellen können, also essen wir Protein, um die Aminosäuren zu bekommen, die wir nicht selbst herstellen können. Aber das ist in einem extremeren Ausmaß.“ . Die Minimalisten sind extreme Spezialisten, und alles in allem sorgen sie dafür, dass es funktioniert. Es gibt viel Austausch und keine Doppelarbeit.“
Einblicke auf die Erde und darüber hinaus
Während wir uns ein Leben außerhalb unserer Erde vorstellen, könnten diese unterirdischen Mikroben laut Osburn Hinweise darauf geben, was möglicherweise anderswo leben könnte.
„Ich bin wirklich aufgeregt, wenn ich Beweise für mikrobielles Leben sehe, das ohne uns, ohne Pflanzen, ohne Sauerstoff, ohne Oberflächenatmosphäre funktioniert“, sagte sie. „Diese Arten von Leben könnten derzeit tief im Mars oder in den Ozeanen eisiger Monde existieren. Die Lebensformen verraten uns, was anderswo im Sonnensystem leben könnte.“
Und sie haben Auswirkungen auf unseren eigenen Planeten. Während die Industrie beispielsweise nach Standorten für die langfristige Kohlenstoffspeicherung sucht, prüfen viele Unternehmen die Möglichkeiten, Kohlendioxid tief in den Boden zu injizieren.
Während wir diese Optionen erkunden, erinnert uns Osburn daran, die Mikroben nicht zu vergessen.
„Wir müssen uns des Lebens im tiefen Untergrund bewusst sein und wissen, wie menschliche Aktivitäten wie Bergbau und Kohlenstoffspeicherung es beeinflussen könnten“, sagte sie. „Wenn wir Kohlendioxid unter der Erde speichern, könnten Mikroben es beispielsweise zu Methan verstoffwechseln. Unter der Erde gibt es eine Biosphäre, die je nach Störung das Potenzial hat, die Oberfläche zu beeinflussen.“
Mehr Informationen:
Lily Momper et al., Eine metagenomische Sicht auf die neuartige mikrobielle und metabolische Vielfalt in der tiefen terrestrischen Biosphäre bei DeMMO: Ein mikrobielles Observatorium in South Dakota, USA, Umweltmikrobiologie (2023). DOI: 10.1111/1462-2920.16543