Wetenschappers met het Deep Carbon Observatory (DCO) transformeren ons begrip van het leven diep in de aarde, en misschien op andere werelden. Hun ontdekkingen suggereren dat er overvloedig leven zou kunnen bestaan in de ondergrond van andere planeten en manen, zelfs als de temperaturen extreem zijn en energie en voedingsstoffen schaars zijn. Ze hebben ook ontdekt dat al het verborgen leven in de diepe aarde honderden keren meer koolstof bevat dan de hele mensheid, en dat de diepe biosfeer bijna tweemaal het volume is van alle oceanen van de aarde.
"Bestaande modellen van de koolstofcyclus ... zijn nog steeds in ontwikkeling." - Dr. Mark Lever, DCO Deep Life Community Steering Committee. "
De DCO is geen faciliteit, maar een groep van meer dan 1.000 wetenschappers uit 52 landen, waaronder geologen, chemici, natuurkundigen en biologen. Ze naderen het einde van een 10-jarig project om te onderzoeken hoe de diepe koolstofcyclus de aarde beïnvloedt. 90% van de koolstof op aarde bevindt zich in de planeet en de DCO is onze eerste poging om het echt te begrijpen.
De DCO is een wereldwijde onderneming. Teams van wetenschappers hebben enkele van de diepste mijnen op aarde verkend, dieper dan ooit tevoren in de oceaanbodem geboord en vulkanen onder de loep genomen in hun pogingen om de diepe koolstofcyclus van de aarde te begrijpen. En ze zijn nog niet helemaal klaar.
Ze hebben een rare ondergrondse wereld ontdekt die tussen de 245 en 385 keer zoveel koolstof bevat als de hele mensheid. Volgens de DCO leven 70% van de bacteriën en archaea van de aarde ondergronds en bevinden ze zich in de diepst bekende ondergrond. En sommige zijn zombies.
Sommigen van hen bestaan in omgevingen die extreem weinig energie en voedingsstoffen bevatten. Ze groeien nauwelijks en besteden hun beschikbare middelen aan zichzelf in plaats van aan reproductie. Deze "zombie" -bacteriën kunnen miljoenen jaren leven zonder zich voort te planten, een verbluffende ontdekking met implicaties voor de geschiedenis van het leven op aarde en het bestaan van leven op andere werelden.
Voor een dieper inzicht in het werk van de DCO sprak ik met Dr. Mark Lever, een geomicrobioloog en professor aan het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Zürich. Dr. Lever zit ook in de Deep Life Community Steering Committee van de DCO en hij geeft ons meer inzicht in het werk van de DCO, wat de toekomst in petto heeft en wat de implicaties zijn voor de Search for Life.
Wat volgt zijn fragmenten uit een e-mailinterview met Dr. Lever over de diepe koolstofcyclus en het leven diep in de aarde.
UT: Ik weet dat wetenschappers niet graag te veel speculeren, om een goede reden. Maar Space Magazine is in de eerste plaats een ruimtewetenschappelijke website en ik weet dat onze lezers zich zullen afvragen hoe deze kennis zich verhoudt tot de zoektocht naar leven in ons zonnestelsel. Mars? Ice Moons? Andere werelden?
ML: “Er is veel gepraat over het gebruik van de fundamentele inzichten die zijn verkregen door het bestuderen van de diepe koolstofcyclus van de aarde om de bewoonbaarheid en koolstofcycli op andere planeten en planetaire manen binnen ons zonnestelsel te onderzoeken. Vergelijkbaar met de planeet aarde, die een rijke en uitgestrekte biosfeer heeft in zijn ondergrondse gesteente en sedimentaire omgevingen, kunnen deze planeten en hun manen een productieve en diverse biosfeer hebben onder hun vaak onbewoonbare oppervlakken. "
"... onze planeet zou kunnen blijken te zijn ... de perfecte proeftuin voor technologieën die het mogelijk maken om het leven elders in ons zonnestelsel en daarbuiten te ontdekken en gedetailleerd te bestuderen." - Dr. Mark Lever.
“Veel van de technologieën die worden gebruikt om het diepe leven op aarde te verkennen, inclusief de boortechnologieën die toegang bieden tot contaminatievrije monsters van kilometers onder de zeebodem of van onder diep Antarctische ijsformaties, en de geavanceerde geautomatiseerde monitoringtools en instrumenten die zijn ontwikkeld , zal essentieel zijn voor het verkennen van deze buitenaardse systemen. ”
"Onze planeet kan - deels gesponsord door de DCO - de perfecte proeftuin blijken te zijn voor technologieën die de ontdekking en gedetailleerde studie van het leven elders in ons zonnestelsel en daarbuiten mogelijk zullen maken."
“Ik denk ook dat de wetenschappelijke inzichten relevant zijn voor het vinden en ontdekken van leven op andere planeten. Een van de belangrijkste onderzoekspunten van het Deep Carbon Observatory is het identificeren van de grenzen van leven - en biologische koolstofcycli - op aarde. Welke variabelen bepalen waar leven wel of niet kan bestaan op aarde? Everett Shock heeft de term 'biotische rand' toepasselijk bedacht om die denkbeeldige grens in omgevingsomstandigheden te beschrijven die het bewoonbare van het onbewoonbare scheidt. '
'Het binnenste van de aarde is een veelbelovende plek om deze biotische rand te verkennen, vanwege het enorme scala aan omstandigheden in termen van temperatuur, pH, druk, poriënruimte, nutriëntenconcentraties en beschikbare energie. Verschillende (DCO) expedities zijn erin geslaagd om in diepe sediment- en rotsformaties te boren en hebben kunnen documenteren hoe de biomassa en de overvloed aan leven geleidelijk afnemen totdat het leven dichtbij of onder de detectielimiet komt. ”
"Als het leven op buitenaardse lichamen dezelfde of een vergelijkbare biochemie heeft als het leven op aarde, dan is het waarschijnlijk relevant om voor deze andere buitenaardse lichamen te begrijpen wat de distributie van leven op aarde beheerst en beperkt."
“In termen van planetaire lichamen die we meer in detail zijn gaan onderzoeken, is onze huidige steekproefomvang 1. De mate waarin onze interpretaties correct of zelfs universeel zijn, kan alleen worden bepaald door het bestuderen van andere planetaire lichamen buiten degene die we momenteel leven Aan."
UT: Zal deze nieuwe kennis van de koolstofcyclus van de aarde en de diepe biosfeer enige invloed hebben op ons begrip van klimaatverandering, niet alleen nu, maar ook in het diepere verleden?
ML: “Het doel van de Deep Carbon Cycle was om het fundamentele begrip van de koolstofcyclus sinds de vorming van de aarde te verbeteren. Het grootste deel van dit onderzoek is fundamenteel relevant voor de huidige en vroegere klimaatveranderingen omdat het bijdraagt tot een beter begrip van de factoren die de koolstofuitwisseling tussen de 'oppervlaktewereld' - de atmosfeer, de hydrosfeer en de buitenste laag van de lithosfeer - en de “Diepe ondergrond”, dat wil zeggen het grootste deel van de planeet dat ergens tussen enkele meters en duizenden kilometers onder de buitenste laag van de lithosfeer ligt. ”
"Zelfs de kleinste veranderingen in de koolstofuitwisselingen tussen de oppervlakte- en ondergrondse wereld zouden op elk moment in de geschiedenis dramatische gevolgen hebben voor het klimaat op aarde." - Dr. Mark Lever.
"Het begrijpen van deze uitwisselingen is buitengewoon belangrijk voor het begrijpen van vroegere, hedendaagse en toekomstige klimaatveranderingen, aangezien de hoeveelheid koolstof die aanwezig is in de" oppervlaktewereld "waarschijnlijk slechts een tienduizendste is van de hoeveelheid koolstof die aanwezig is in ondergrondse sedimenten wereldwijd, en misschien slechts honderd miljoenste van de hoeveelheid koolstof die aanwezig is in de aardkorst en de bovenmantel. '
"Zelfs de kleinste veranderingen in de koolstofuitwisselingen tussen de oppervlakte- en ondergrondse wereld zouden op elk moment in de geschiedenis dramatische gevolgen hebben voor het klimaat op aarde."
UT: Zou de diepe biosfeer een rol kunnen hebben gespeeld bij het herstel van de aarde na uitstervingsgebeurtenissen zoals de Perm-Trias-uitsterving? Dat is een enorme vraag, maar is er een manier om de diepe biosfeer in het verleden te begrijpen en hoe deze in de loop van de tijd kan zijn veranderd?
ML: “De meest directe link die ik kan zien met het uitsterven van het Perm en het Trias gaat de andere kant op: er is bewijs dat rond dezelfde tijd, of het nu verband hield met grote meteorologische inslagen, er een toename was van de afgifte van methaan uit methaan hydrateert, dat wil zeggen "methaanijs" dat zich vormt bij lage temperatuur en onder hoge druk in de zeebodem. "
'Het meeste methaan en methaanhydraat dat in de zeebodem aanwezig is, wordt waarschijnlijk geproduceerd door micro-organismen die meters tot honderden meters onder de zeebodem leven. De abrupte vrijgave van enorme hoeveelheden van het krachtige broeikasgasmethaan, dat grotendeels werd geproduceerd door micro-organismen van de diepe biosfeer, heeft mogelijk bijgedragen tot het uitsterven van het Perm en het Trias. '
'Er zijn micro-organismen in de oceanen die methaan eten en zuurstof inademen. Toen de hoeveelheid opgelost methaan toenam, hebben deze micro-organismen mogelijk alle opgeloste zuurstof in delen van de oceanen opgebruikt en bijgedragen aan het uitsterven van veel zeedieren die opgeloste zuurstof nodig hebben om te ademen en te overleven. '
UT: Ik blijf de diepe biosfeer beschouwen als een soort 'kluis' voor aards genetisch materiaal, een soort onbedoelde bewaring. Denk je dat dat idee klopt?
ML: "Ik hou erg van het" gewelf "-concept en denk dat het logisch is omdat bepaalde milieutypes van het binnenste van de aarde, b.v. ultramafische gesteenten, basaltkorst, zijn waarschijnlijk redelijk vergelijkbaar gebleven sinds het ontstaan van het leven ongeveer vier miljard jaar geleden. ”
"Het idee van een microbiële" kluis "is waarschijnlijk voornamelijk van toepassing op levende organismen, die mechanismen hebben om hun genetische informatie, d.w.z. DNA en RNA, te herstellen."
"Het lijkt onwaarschijnlijk dat we ooit intacte gensequenties van de vroegste levende organismen van de aarde in de diepe biosfeer zullen kunnen herstellen." - Dr. Mark Lever, DCO.
“DNA en RNA zijn uitstekende energie- en voedingsbronnen voor veel micro-organismen en worden daardoor snel afgebroken als ze in het milieu terechtkomen. Ze worden ook vernietigd door spontane chemische reacties - die zelfs in levende cellen voorkomen. Levende cellen kunnen de meeste van deze spontane mutaties detecteren, herstellen en daardoor intacte genetische informatie behouden waardoor ze in leven kunnen blijven. DNA of RNA van dode organismen wordt echter niet hersteld. ”
“Kleine hoeveelheden relatief intacte DNA- of RNA-sequenties kunnen in periodes van duizenden jaren of soms een paar miljoen jaar worden bewaard in ondergrondse habitats, maar mogelijk niet verder. Het lijkt onwaarschijnlijk dat we ooit intacte gensequenties van de vroegste levende organismen van de aarde in de diepe biosfeer zullen kunnen herstellen. "
UT: De DCO heeft verbluffende ontdekkingen gedaan. Wat is de toekomst voor de DCO en wat is volgens u de richting voor toekomstig onderzoek naar de diepe biosfeer?
ML: “De financieringsperiode van de DCO via de Alfred P. Sloan Foundation loopt in het najaar van 2019 af. In oktober wordt een grote slotconferentie gehouden in de National Academy of Sciences in Washington DC, waarin het 10-jarig bestaan van de DCO bestaat. zal worden gevierd en toekomstige richtingen voor diepgaande koolstofgerelateerde wetenschap zullen worden verkend. "
'Er zijn veel discussies tussen DCO-wetenschappers over manieren om deze diverse, interdisciplinaire gemeenschap van geofysici, geologen, geochemisten en microbiologen in stand te houden. Een evenement dat ons zal blijven samenbrengen, is een Gordon Research Conference met als thema 'Deep Carbon Science', die voor het eerst in de zomer van 2018 plaatsvond en, vanwege het grote succes, vanaf nu om de twee jaar zal plaatsvinden. "
'Een belangrijke richting is het belang van aardbevingen bij het ondersteunen van de diepe biosfeer. Aardbevingen creëren een nieuwe habitat voor micro-organismen door de aardkorst te breken en microben deze breuken te laten koloniseren en toegang te krijgen tot uit steen afkomstige energiebronnen, zoals verminderd ijzer. Aardbevingen pompen ook diep geproduceerde vloeistoffen die rijk zijn aan microbiële energiesubstraten, zoals waterstof of methaan, uit het onbewoonbare binnenste van de aarde naar ondiepere, bewoonbare zones, en kunnen daardoor het diepe leven laten groeien tijdens boom- en bustcycli in seismisch actieve regio's. "
UT: Wat is volgens jou persoonlijk de meest opwindende ontdekking van de DCO?
"... de kans voor fundamentele wetenschappelijke ontdekkingen met betrekking tot de koolstofcyclus van de aarde blijft enorm." - Dr. Mark Lever, DCO.
“Voor mij is de meest opwindende bevinding misschien dat de vulkanische stroom van CO2 in de atmosfeer tweemaal zo hoog is als eerder werd gedacht. Deze bevinding - samen met vele andere door de DCO - laat zien hoe bestaande modellen van de koolstofcyclus, met name met betrekking tot koolstofuitwisselingen tussen de oppervlakte- en ondergrondse wereld, nog steeds een werk in uitvoering zijn. Bijgevolg blijft de kans voor fundamentele wetenschappelijke ontdekkingen met betrekking tot de koolstofcyclus van de aarde enorm. "
- Website van Deep Carbon Observatory
- Centrum voor Dark Energy Biosphere Investigations Website
- DCO-persbericht: Het leven in diepe aarde bedraagt in totaal 15 tot 23 miljard ton koolstof - honderden keren meer dan mensen
