Древние бактерии, находящиеся на глубине почти двух миль от поверхности Земли: именно это впервые привлекло Туллиса Онстотта к поискам жизни в самых неожиданных местах. Геомикробиолог только что посетил совещание Министерства энергетики США в 1992 году по поводу пород, возраст которых превышает 200 миллионов лет - старше, чем у большинства динозавров. Эти доисторические породы были обнаружены в газовой разведочной скважине, и оказалось, что они кишат бактериями.
Связанный контент
- Таинственный марсианский «Цветная капуста» может стать последним намеком на инопланетную жизнь
- Квест длиной в десятилетия, чтобы пробиться в мантию Земли, может скоро ударить по грязной земле
«Это было довольно удивительно для меня», - говорит Онстот из Принстонского университета. «Идея о том, что эти бактерии жили в этих триасовых породах с тех пор, как они были депонированы в период до возраста динозавров, эта идея привлекла мое воображение», - говорит он.
Эти камни были одними из первых существенных доказательств того, что жизнь существовала в милях под землей, и они дали толчок усилиям исследователей по изучению жизни в так называемых глубоких недрах. За последние 20 лет Онстотт и другие обнаружили, что в гораздо более негостеприимных местах существует больше разнообразия жизни, чем кто-либо мог себе представить.
Глубокая жизнь была обнаружена во всем мире и в различных условиях - на нефтяных месторождениях и золотых приисках, под ледниковыми щитами в Гренландии и Антарктиде, а также в отложениях и скалах под дном океана. Эти места могут быть чрезвычайно агрессивными, с давлением в 10-100 раз выше, чем на поверхности. Температура может варьироваться от почти замерзания до более 140 градусов по Фаренгейту.
В миле или более под поверхностью нет солнечного света и очень мало кислорода. В этих суровых условиях существам приходится выживать на любой энергии, которую они могут собрать из своего окружения. Это означает, что темп жизни там иногда может быть невероятно медленным. Эти микробы могут быть в тысячу или миллион раз меньше, чем их братья над землей. А некоторые могли существовать сотни, тысячи или даже миллионы лет - настоящие микроскопические Метузелы.
Эти глубинные существа разнообразны и состоят из бактерий и других одноклеточных организмов, называемых археями. В нескольких километрах от поверхности есть даже многоклеточные животные, в том числе крошечные черви, называемые нематодами.
«Что было удивительно, так как мы продолжаем исследовать эту глубокую скрытую вселенную, так это то, что она более сложна, чем мы могли себе представить, когда начали смотреть на образцы триаса еще в 90-х», - говорит Онстотт.
Эта сложность открыла перед исследователями целый мир возможностей - от очистки токсичных отходов до поиска внеземной жизни. Некоторые из этих глубинных организмов питаются непосредственно металлами и минералами и могут воздействовать на грунтовые воды, увеличивая или уменьшая уровни мышьяка, урана и токсичных металлов. Ученые надеются, что эти бактерии вскоре могут быть адаптированы для улавливания или удаления таких вредных веществ из таких вещей, как сточные воды, вытекающие из шахты.
Но, пожалуй, наиболее дразнящей является идея о том, что условия глубоко под землей настолько чужды, что могут дать исследователям подсказки о том, где найти внеземную жизнь и как эта жизнь может выглядеть.
«Это напрямую связано с тем, может ли жизнь существовать под поверхностью Марса», - говорит Онстотт. «Это действительно то, что привлекло меня в эту область с самого начала, и до сих пор является для меня водителем».
Между экстремальной средой и относительной нехваткой организмов исследователи идут на все, чтобы исследовать эти микробы. Они рискуют в шахты и пещеры или используют тренировки, чтобы извлечь образцы из ниже наземных мест или дна океана. В некоторых районах получение одного образца может занять несколько дней. «Идти к концам земли и бурить, или идти в Арктику и уходить под землю на милю, чтобы взять образец, - это не легко», - говорит Онстотт.
Зондирование адских глубин
Почти в миле от поверхности Земли, глубоко в южноафриканском золотом руднике Беатрикс, Мэгги Лау ищет жизнь. Здесь жарко и влажно, и только фары нарушают темноту, когда Лау, геомикробиолог из группы Онстотта в Принстонском университете, собирает воду из скважин. Это скважины, пробуренные в скале геологами, которые ищут залежи газа и воды перед добычей. Лау наполняет ассортимент флаконов пробами газа и воды объемом от менее чем чайной ложки до чуть более двух пинт.
Мэгги Лау собирает воду из скважины во флаконе, находящемся более чем в двух милях от поверхности Земли, на золотом руднике Таутона в Южной Африке. (Франсуа Вермёлен (менеджер по геонаукам, AngloGold Ashanti Limited)) Газ, который собирает Лау, может показать, насколько древняя вода. «Образцы, которые я изучаю, имеют возраст от 40 000 до 80 000 лет», - говорит она. Вода могла возникать на поверхности и просачиваться сквозь трещины в течение тысяч или даже миллионов лет, принося микроорганизмы либо с поверхности, либо из более мелких областей недр вниз.
В отличие от воды, Лау идет более быстрым и драматичным путем к месту исследования. Она спускается по шахте в лифтовой клетке, которая падает менее чем в милю менее чем за минуту, а затем проходит милю или больше с загруженным рюкзаком. Некоторые туннели требуют, чтобы исследователи ползали, таща свои пакеты за собой или пробирались через воду до колен или бедер в затопленных участках. Иногда лифт не доступен после тяжелого рабочего дня, и Лау и Онстотту приходится подниматься по лестнице обратно. «Мы шутили, что это было похоже на лестницу в рай», - говорит она.
В адских глубинах, где вода может достигать 130 градусов по Фаренгейту, а сами камни часто теплые на ощупь, не так много жизни можно найти. Чтобы собрать как можно больше живых клеток для своего анализа, Лау оставляет несколько своих флаконов для фильтрации от сотен до тысяч галлонов воды в течение нескольких недель или нескольких месяцев.
Примерно в миле от поверхности, Лау обычно может найти от 1000 до 10000 клеток в менее чем чайной ложке воды. Это может показаться большим, но щепотка почвы с вашего заднего двора может содержать от 100 000 до миллион раз больше клеток. На участках, находящихся под землей более мили, может быть только 500 клеток на чайную ложку воды. Лау считает, что ей нужно будет фильтровать воду непрерывно в течение 200 дней, чтобы получить достаточно ДНК и РНК для своего анализа.
Может быть трудно выращивать виды бактерий в лаборатории, не зная, какую еду они едят или какие именно условия они процветают. Ученые смогли вырастить только около одного процента бактерий, которые они находят в местах своего глубокого поля. В результате большинство видов известны только по их уникальным молекулярным сигнатурам, а секвенирование ДНК или РНК выявило множество ранее неизвестных бактерий в образцах, которые ученые собрали там.
Это замедленное видео показывает, как исследователи собирают образцы внутри золотого рудника Южной Африки. (Гаэтан Боргони)Совсем недавно Лау делает шаг за пределы того, чтобы выяснить, что там живет - она хочет знать, чем они зарабатывают на жизнь. Без солнечного света и растений, способных улавливать солнечную энергию посредством фотосинтеза, этим глубоко живущим бактериям приходится выживать за счет химических реакций между камнями и водой. Эти реакции могут производить водород, метан и сульфаты, и ученые полагали, что эти три химических вещества будут питать большинство бактерий, живущих в этих глубоких средах.
К ее удивлению, Лау обнаружил, что это не так. Вместо этого химические вещества поддерживают только меньшую часть бактерий, которые затем производят серу и нитраты. Бактерии, которые питались этими вторичными химическими веществами, доминировали в этих средах.
Это означает, что при поиске глубокой жизни на Земле или в других мирах ученые должны искать более широкий спектр метаболических реакций. «Не просто сосредоточьтесь на нескольких основных процессах. Мы должны быть более непредубежденными, чтобы взглянуть на полный и полный метаболический ландшафт », - говорит Лау.
«Быть способным увидеть то, что они все делают там сейчас, - это, безусловно, самая захватывающая вещь, которую мы всегда хотели сделать и пытаться выяснить, как это сделать в течение последних 20 лет, и теперь мы можем наконец, сделай это », - говорит Онстотт.
«Первый снимок [Лау], это как получить первое изображение с Марса или что-то в этом роде, это невероятно», - добавляет он.
Настоящий зоопарк
Там, где есть добыча, обычно есть хищники. А бактерии делают вкусную еду для многих существ.
Когда Гаэтан Боргони услышал об этих глубоких бактериях, он подумал, может ли он найти червей, называемых нематодами, которые питаются бактериями, в тех же подземных местах. Боргони, зоолог из Extreme Life Isyensya в Гентбрюгге, Бельгия, работал с этими червями в течение 20 лет. Он знал, что нематоды могут выживать в широком диапазоне условий на поверхности, включая чрезвычайно жаркие или холодные температуры и очень низкие уровни кислорода, поэтому теоретически они хорошо подходили для условий глубоко под землей.
Боргони вызвал Onstott, который пригласил его приехать, чтобы исследовать шахты в Южной Африке. Но найти этих червей было нелегко. Хотя они очень распространены на поверхности, в шахтах Боргони пришлось отобрать более 2500 галлонов воды, чтобы найти одну нематоду. «Вам действительно нужно изменить свое мышление и оставить то, что вы знаете, на поверхности, потому что под землей - это другая планета», - говорит он.
Боргони обнаружил большое количество нематод, живущих в шахтах в воде от 3 000 до 12 000 лет из скважин, а также в сталактитах, висящих из туннелей шахты. Среди них один новый вид, найденный почти в миле под поверхностью, и еще один неопознанный червь, живущий более чем в двух милях вниз. Эти животные были первым доказательством многоклеточной, эукариотической жизни так глубоко, говорит Боргони.
В отличие от уникальных бактерий, обнаруженных на этих глубинах, подавляющее большинство червей принадлежало к видам, обнаруженным на поверхности. «Эти животные уже привыкли к стрессу, а те, которые находятся на поверхности с оппортунистическими настроениями, очень хорошо под землей», - говорит Боргони.
Глубокая среда может на самом деле предложить некоторые преимущества, учитывая стабильные условия и отсутствие хищников для червей. «Для них это как праздник», - говорит Боргони.
Белые стрелки указывают на бактерии, найденные в биопленках в скважинной воде южноафриканского золотого рудника Копананг. (Gaetan Borgonie) Убежденный, что в шахтах должно быть больше таких существ, Боргони оставил свое оборудование для отбора проб на золотом руднике Дрифонтейн в Южной Африке на два года, чтобы отфильтровать более трех миллионов галлонов воды - достаточно, чтобы заполнить почти пять бассейнов олимпийского размера.
«Именно тогда мы нашли весь зоопарк», - говорит Боргони. Он идентифицировал несколько других многоклеточных организмов, включая плоских червей и сегментированных червей, а также то, что казалось ракообразным. Почти все эти виды выжили, питаясь бактериями.
По словам Боргони, открытие этих организмов обнадеживает ученых, ищущих внеземную жизнь. «Я думаю, это очень хорошо, что мы находим такую огромную экосистему под землей», - говорит он. «Если мы сможем доказать, что они могут выживать бесконечно под землей, то это может быть очень хорошей новостью для людей, ищущих жизнь на Марсе».
«Мне бы очень хотелось, чтобы эта работа была на планете Марс», - говорит он. «Вот почему я всегда говорю, что если мне дадут билет в один конец на Марс, я уйду».
Чужой Глубокий
У Боргони, возможно, еще нет билета, но предстоящие космические миссии могут дать нам лучшее представление о том, могут ли другие части Солнечной системы поддерживать жизнь.
«Одна из вещей, которая дала людям чувство оптимизма в том, что касается астробиологии, - это обнаружение того, что существуют организмы, которые могут сохраняться в условиях, которые мы считаем очень экстремальными», - говорит Тори Хелер, астробиолог из исследовательского центра Эймса НАСА. Хелер является членом группы «Жизнь на камне» Института астробиологии НАСА, которая изучает, как реакции между различными видами камней и водой могут генерировать достаточно энергии для поддержания жизни.
«Одно из наиболее распространенных мест обитания, которое доступно там, это то, что определяется камнем и водой», - говорит Хелер. Вы можете вообразить водоносные горизонты, сидящие глубоко под поверхностью Марса, или океаны, выплескивающиеся над скалистой корой луны Юпитера Европы или Луны Сатурна Энцелад, говорит он.
Миссия NASA «Multipa Flyby», которую планируется запустить в ближайшие пять-десять лет, даст ученым лучшее представление о том, есть ли на ледяной луне Юпитера среда, способная поддерживать жизнь. Что касается Марса, исследователи перешли от вопроса о том, могут ли они найти подходящую среду обитания, к реальному поиску доказательств самой жизни, говорит Хелер.
Хотя условия на поверхности Марса в настоящее время крайне неблагоприятны для жизни, планета, похоже, в свое время имела атмосферу и поверхностные воды. Если бы жизнь развивалась тогда, она могла бы распространиться на марсианские недра, где окружающая среда оставалась стабильной, даже когда поверхность стала враждебной. Вполне возможно, что жизнь все еще существует глубоко под землей, ожидая, когда мы ее раскопаем.
Художник изобразил модель ESA ExoMars Rover, которая будет нести упражнение, предназначенное для зондирования до 6, 5 футов ниже поверхности Марса. (ЕКА) Нам не придется ждать слишком долго, чтобы получить наш первый взгляд под марсианской поверхностью. Миссия ExoMars Европейского космического агентства в 2018 году будет бурить около шести футов ниже поверхности Марса, чтобы найти признаки жизни. Это может быть недостаточно глубоко, чтобы найти живые организмы, но это должно быть достаточно далеко под поверхностью, чтобы мы могли найти доказательства жизни.
Более 20 лет с тех пор, как древние бактерии впервые дали ему представление о глубокой жизни Земли, Онстотт не может дождаться, чтобы увидеть, что мы находим на Марсе, особенно когда ученые смогут копать немного глубже.
«Если на Марсе есть сладкое место, где вы просто получите правильный баланс температуры и воды, то в этих условиях могут выжить организмы».
Узнайте больше об этом исследовании в Обсерватории Deep Carbon.
