Omgevingen bestuderen die vergelijkbaar zijn met Mars, en hun microbiële ecosystemen, zou biologen kunnen helpen om sporen van leven in de ruimte te identificeren.

In enkele van de meest afgelegen gebieden van onze planeet, wetenschappers onderzoeken hoe het leven kan voortduren in de vorm van kleine microben die een niche bewonen die dodelijk zou zijn voor de overgrote meerderheid van de organismen op aarde.

Leven van giftige stoffen zoals arseen, of in zuurstofvrije zones, deze winterharde microben metaboliseren voedsel en voedingsstoffen op een totaal andere manier dan de meeste planten, dieren en mensen. Sommige bewegen en metaboliseren zo langzaam, bijvoorbeeld, dat wetenschappers ze tot voor kort niet eens als levend beschouwden.

De barre omgevingen waarin ze leven zijn vergelijkbaar met de omstandigheden op Mars en andere planeten, en door ons begrip te vergroten van hoe deze microbiële gemeenschappen werken, ruimtegeobiologen zullen beter toegerust zijn om tekenen van buitenaards leven te identificeren.

Dr. Amedea Perfumo van het GFZ German Research Centre for Geosciences leidt het door de EU gefinancierde BIOFROST-project, die onderzoekt hoe organismen overleven in de diepe biosfeer van de permafrost van de aarde, waar de temperaturen onder nul zijn en er een gebrek aan zuurstof is.

'Deze zuurstofloze en bevroren omstandigheden zijn uitermate relevant voor ruimteverkenning. Het is een analoog voor Mars, ' ze zei. 'Het gaat erom te vinden wat de grenzen zijn voor het leven op aarde onder de omstandigheden die het meest lijken op de ruimte en kijken of we een betere interpretatie kunnen krijgen van wat er uit een ruimtemissie kan komen.'

BIOFROST richtte zich op het opbouwen van een zogenaamde on-filter analytische pijplijn, waar informatie over levende bacteriën, zoals hoeveel er zijn van welk type, hoe actief ze zijn en hoe ze met elkaar omgaan, worden gewonnen uit het permafrostsediment en verzameld op een speciaal goud-platina-gecoat filter.

'Ik word ondersteund door enkele van de meest geavanceerde technieken, waaronder NanoSIMS en nanospectroscopie, en ik hoop, vooral, om wetenschappelijk bewijs te leveren voor het basisfunctioneren van een cel onder dergelijke extreme omstandigheden en hoe dit van invloed is op het functioneren van het ecosysteem van de permafrost, ' zei dr. Parfumo.

Aanpassingen

De permafrost-micro-organismen die door Dr. Perfumo worden bestudeerd, hebben unieke aanpassingen aan hun bevriezing ontwikkeld, zuurstofvrije zones. Hun stofwisseling is zo traag, bijvoorbeeld, dat de technologie pas recentelijk geavanceerd genoeg is geworden om te detecteren dat de organismen zelfs maar leven.

Ecologische aanpassing kan kosten met zich meebrengen, echter. Omdat ze zijn geëvolueerd om zo perfect in hun niche te passen, elke vorm van temperatuurverandering kan problemen opleveren voor de organismen. Bij eerdere experimenten is Dr. Perfumo ontdekte dat wanneer de verwarming slechts 5 graden Celsius werd verhoogd, de bacteriën stierven.

Dit toont een zeer lage tolerantie voor verandering in omgevingscondities, in tegenstelling tot veel andere soorten bacteriën. De verschillende soorten bacteriën die we meestal aantreffen bij kamertemperatuur, bijvoorbeeld, moeten kunnen omgaan met wisselende weersomstandigheden, overwegende dat diepe permafrostbacteriën over het algemeen gegarandeerd constant leven, hoewel erg koud, temperaturen.

Arseen

Hoog in de Andes-meren van Argentinië, onderzoekers onderzoeken een ander zogenaamd extremofiel organisme - bacteriën die overleven in hoge concentraties arseen. De Wereldgezondheidsorganisatie beveelt aan dat drinkwater niet meer dan 10 microgram arseen per liter mag bevatten, maar deze meren bevatten vier of vijf orden van grootte meer.

De omstandigheden bootsen in feite het leven op de prehistorische aarde na. 'Als je er bent, het is alsof je 3 500 miljoen jaar geleden op aarde bent, ' zegt Dr. Maria Sancho-Tomas van het Institut de Physique du Globe de Paris, Frankrijk, die het ASLIFE-project leidt om de bacteriën te onderzoeken. 'Het is geweldig. Als je naar het landschap kijkt, het is net Mars.'

Op prehistorische aarde, organismen moesten strategieën ontwikkelen om het arseen te bestrijden of zich aan te passen. Microben zoals die welke worden bestudeerd door Dr. Sancho-Tomas gebruikten arseen in hun metabolische systemen, het omzetten van het mineraal in energie, in een proces dat lijkt op de manier waarop mensen voedsel afbreken.

De ASLIFE-onderzoekers analyseren aardkernen door een gat in de grond te boren en een cilinder met materiaal te extraheren om terug te nemen naar het laboratorium voor verdere analyse. Volgens Dr. Sancho-Tomas, de delen van het sediment van de meren die arseen bevatten, zijn duidelijk te zien - ze zijn paars, als het arseen interageert met zwavel.

Het team neemt ook schaafsel van stromatolieten, oude organische structuren die miljarden jaren oud kunnen zijn en worden gecreëerd door micro-organismen. De monsters worden vervolgens naar synchrotronfaciliteiten in de SOLEIL-fabriek in de buurt van Parijs gebracht, Frankrijk, om de innerlijke werking van deze organismen van dichterbij te bekijken.

Het idee is om vast te stellen of bepaalde arseenvarianten - of isotopen - kunnen worden gebruikt als biosignaturen - chemische indicatoren dat leven is, of was, cadeau. Als, ruimtewetenschappers konden op andere planeten naar dezelfde kenmerken zoeken en concluderen dat daar leven bestond, zelfs als de micro-organismen zelf ongrijpbaar blijven.

In het proces, de onderzoekers komen ook met nieuwe manieren om deze microben te vervoeren en te onderzoeken, waarvan monsters kunnen verslechteren als gevolg van factoren zoals temperatuur- en drukveranderingen. Astrobiologen zullen deze methoden kunnen gebruiken om ervoor te zorgen dat alle gevonden buitenaardse monsters ongedeerd terug naar de aarde worden getransporteerd.

Dichter bij huis

Echter, meer leren over extremofielen heeft ook praktische toepassingen dichter bij huis. Dr. Perfumo werkt aan het aanpassen van enzymen en moleculen met gladde oppervlakken, bekend als biosurfactanten, van deze koudeminnende bacteriën om de temperaturen te verlagen die nodig zijn voor veel commerciële en industriële activiteiten, wat gunstig zal zijn voor het milieu.

Dr. Sancho-Tomas en haar collega's maken een kaart met hoge resolutie van de verspreiding van de arseenminnende bacteriën in de Andes. Deze informatie kan vervolgens worden gebruikt om met arseen besmette gebieden over de hele wereld te bepalen, bijvoorbeeld in Vietnam en India.

Bovendien, de bacteriën die ze onderzoeken, kunnen uiteindelijk worden gebruikt als bioremediatoren - dat wil zeggen, natuurlijke micro-organismen die milieuverontreinigende stoffen van een locatie verwijderen. Verdere genetische analyse van de arseen-consumerende bacteriën zal nodig zijn voordat de relevante enzymen hiervoor kunnen worden geïdentificeerd.