Geologische Aktivität kann tiefe mikrobielle Gemeinschaften schnell verändern

Im tiefen Untergrund, der kilometerweit in die Erde eintaucht, bewohnen mikroskopisch kleine Organismen riesige Poren und Adern des Grundgesteins. Unterirdische Mikroorganismen oder Mikroben machen bis zur Hälfte des gesamten lebenden Materials auf dem Planeten aus und unterstützen die Existenz aller Lebensformen in der Nahrungskette. Sie sind für die Verwirklichung einer umweltverträglichen Zukunft unerlässlich und können die chemische Zusammensetzung von Mineralien verändern, Schadstoffe abbauen und die Zusammensetzung des Grundwassers verändern.

Während die Bedeutung von Bakterien und Archaeen unbestreitbar ist, stammen die einzigen Beweise für ihre Existenz im tiefen Untergrund aus Spuren von biologischem Material, das durch Minenwände, Höhlenströme und Bohrlöcher sickert, die Grundwasserleiter anzapfen.

Viele Wissenschaftler haben angenommen, dass die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften im tiefen Untergrund hauptsächlich durch lokale Umwelteinflüsse auf das Überleben von Mikroben wie Temperatur, Säuregehalt und Sauerstoffkonzentration geprägt wird. Dieser Prozess, die Umweltselektion, kann Jahre bis Jahrtausende dauern, um in langsam wachsenden Gemeinschaften wie dem Untergrund erhebliche Veränderungen auf Gemeinschaftsebene zu bewirken.

Jetzt, mit Daten, die fast 5.000 Fuß unter der Erde gesammelt wurden, haben Forscher der Stanford University gezeigt, dass sich tief unter der Oberfläche liegende mikrobielle Gemeinschaften innerhalb weniger Tage ändern können, und die Verschiebungen durch geologische Aktivitäten angetrieben werden können – nicht nur durch Umweltbelastungen. Die Ergebnisse wurden letzten Monat in veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

„Im tiefen Untergrund können wir die Umweltselektion nicht länger als den dominierenden Treiber der Gemeinschaftsdynamik verstehen – es könnte nur eine sich ändernde Fließgeschwindigkeit oder Bewegung des Grundwassers durch die Spalten und Risse im Untergrund sein, die das antreiben, was wir beobachten.“ sagte der Hauptautor der Studie, Yuran Zhang, der die Forschung als Ph.D. Student der Energieressourcentechnik.

Lücken füllen

Wie das Lesen einer zufälligen Seite der 1000-Wörter-Biografie einer Person, haben frühere Studien über tief unter der Oberfläche liegende Mikroben nur Einblicke in die Chronik ihrer Existenz gegeben. Durch das wöchentliche Sammeln von Wasserproben aus mehreren geothermischen Brunnen über einen Zeitraum von 10 Monaten zeigten die Stanford-Forscher, wie sich diese Populationen über Raum und Zeit verändern können, und demonstrierten den ersten Beweis für geologische Aktivität als treibende Kraft für die Veränderung mikrobieller Gemeinschaften – und damit für die Evolution.

„Es gibt frühere Forschungen zur Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften im tiefen Untergrund, aber es werden fast immer Proben von einem einzigen Zeitpunkt verwendet“, sagte die Geomikrobiologin Anne Dekas, eine leitende Studienautorin und Assistenzprofessorin für Erdsystemwissenschaften. „Eine Zeitreihe über 10 Monate zu haben – insbesondere bei einer wöchentlichen Auflösung – ist eine wirklich andere Perspektive, die es uns ermöglichte, andere Fragen darüber zu stellen, wie und warum sich diese Gemeinschaften mit der Zeit verändern.“

Dekas sagte, dass mikrobielle Ökologen zwar vermutet haben, dass geologische Aktivitäten im Spiel waren, sie aber vom Ausmaß der Veränderungen der Gemeinschaft überrascht war, die nach einer Änderung im Flussnetzwerk auftraten.

Bohrlöcher und Reagenzgläser

Die in der Studie verwendete Technik umfasste die Verarbeitung von Proben aus einem Durchflusstest, der in der Sanford Underground Research Facility (SURF), ehemals Homestake Gold Mine, in South Dakota durchgeführt wurde. Zhang sagte, die Erfahrung, von einem Bohrlochproben-Setting zu einem mit Reagenzgläsern gefüllten Labor mit einer PCR-Maschine auf dem Campus zu wechseln, sei „wie die Verbindung zweier völlig unterschiedlicher Welten“, und bezog sich darauf, wie diese Arbeit die unterschiedlichen Bereiche der mikrobiellen Ökologie und der Geothermie vereint .

Bei der Analyse der Eigenschaften der Wasserproben identifizierten die Forscher mikrobielle DNA-Fingerabdrücke. Jede der 132 Wasserproben lieferte Zehntausende eindeutige Sequenzierungs-IDs. Diese Daten wurden verwendet, um zu zeigen, dass bei geologischer Aktivität unterschiedliche biologische Gemeinschaften schnell vermischt werden konnten – und zwar von Orten, von denen zuvor nicht bekannt war, dass sie miteinander verbunden waren.

„Eine der zusätzlichen Informationen aus dieser mikrobiologischen Studie ist, dass wir Populationen von Mikroben gesehen haben, die sich nicht nur direkt von Ort zu Ort bewegt haben, sondern als Folge des Netzwerks dazwischen“, sagte der leitende Studienautor Roland Horne. der Thomas Davies Barrow Professor für Geowissenschaften. „Das ist aus Sicht des Reservoirs so wichtig, weil es etwas enthüllt, das durch normale geothermische Analysemethoden nicht offenbart wird.“

Geologie trifft Biologie

Die Datenmenge, die durch aktuelle geothermische Techniken gesammelt wird, ist so, als hätte man nur Zugang zu Autobahnen, die von den Nebenstraßen abgeschnitten sind, die Sie den ganzen Weg nach Hause führen. Die Untersuchung von Mikroorganismenpopulationen eröffnet das Potenzial, die komplexen Feinheiten des tiefen Untergrunds detaillierter zu kartieren, sagte Horne.

Die Fähigkeit, Biologie als Werkzeug einzusetzen, kann auch Einblicke in den tiefen Untergrund als Grenze für die geologische Speicherung wie Atommüll und Kohlenstoffbindung bringen. Die Kombination von Biologie und Geologie erfordert jedoch grundlegende Kenntnisse in beiden Fächern.

„Bei dem geothermischen Untergrundprojekt wurde mir klar, dass Lagerstätteningenieure, Geologen oder Geophysiker normalerweise nicht so vertraut mit Mikrobiologie sind“, sagte Zhang, der von Horne und Dekas gemeinsam beraten wurde. „Es gibt allgemeines Wissen über Geochemie, aber nicht so sehr über Geomikrobiologie.“

Diese Arbeit könnte sogar über erdbasierte Disziplinen hinaus von Bedeutung sein: Wenn sich einige der ältesten Lebensformen im tiefen Untergrund der Erde aufgrund geologischer Aktivität verändern und diversifizieren können, können wir vielleicht ähnliche Erwartungen für den Ursprung und die Diversifizierung des Lebens auf anderen tektonischen Gebieten haben planetarische Körper.

„Was wir beobachten, könnte möglicherweise mit der frühen Geschichte der Evolution des Lebens in Verbindung stehen“, sagte Zhang. „Wenn geologische Aktivität ein Motor für die Entstehung oder Diversifizierung von frühem Leben ist, dann sollten wir vielleicht nach außerirdischem Leben auf Planeten suchen, die geologisch aktiv sind.“