Nauwelijks levende 'zombie'-bacteriën en andere vormen van leven vormen een enorme hoeveelheid koolstof diep in de ondergrond van de aarde - 245 tot 385 keer groter dan de koolstofmassa van alle mensen op het oppervlak, volgens wetenschappers nadert het einde van een 10-jarige internationale samenwerking om de diepste geheimen van de aarde te onthullen.

Aan de vooravond van de jaarlijkse bijeenkomst van de American Geophysical Union, wetenschappers van het Deep Carbon Observatory rapporteerden vandaag verschillende transformationele ontdekkingen, inclusief hoeveel en wat voor soort leven er in de diepe ondergrond bestaat onder de grootste extreme druk, temperatuur, en een lage beschikbaarheid van voedingsstoffen.

2,5 kilometer in de zeebodem boren, en bemonstering van microben uit continentale mijnen en boorgaten van meer dan 5 km diep, wetenschappers hebben de resultaten gebruikt om modellen van het ecosysteem diep in de planeet te construeren.

Met inzichten van nu honderden locaties onder de continenten en zeeën, ze hebben de grootte van de diepe biosfeer benaderd - 2 tot 2,3 miljard kubieke km (bijna twee keer het volume van alle oceanen) - evenals de koolstofmassa van het diepe leven:15 tot 23 miljard ton (gemiddeld minstens 7,5 ton koolstof per cu km ondergrond).

Het werk helpt ook bij het bepalen van soorten buitenaardse omgevingen die leven zouden kunnen ondersteunen.

Onder de vele belangrijke ontdekkingen en inzichten:

• De diepe biosfeer vormt een wereld die kan worden gezien als een soort "ondergrondse Galapagos" en omvat leden van alle drie de levensdomeinen:bacteriën en archaea (microben zonder membraangebonden kern), en eukarya (microben of meercellige organismen met cellen die zowel een kern als membraangebonden organellen bevatten)
• Twee soorten microben - bacteriën en archaea - domineren Deep Earth. Onder hen zijn miljoenen verschillende soorten, de meeste moeten nog worden ontdekt of gekarakteriseerd. Deze zogenaamde microbiële "donkere materie" breidt ons perspectief op de levensboom dramatisch uit. Deep Life-wetenschappers zeggen dat ongeveer 70% van de bacteriën en archaea op aarde in de ondergrond leven
• Diepe microben zijn vaak heel anders dan hun oppervlakteneven, met levenscycli op bijna-geologische tijdschalen, dineren in sommige gevallen op niets meer dan energie uit rotsen
• De genetische diversiteit van het leven onder het oppervlak is vergelijkbaar met of groter dan dat boven het oppervlak
• Hoewel ondergrondse microbiële gemeenschappen sterk verschillen tussen omgevingen, bepaalde geslachten en hogere taxonomische groepen zijn alomtegenwoordig - ze verschijnen over de hele wereld
• De rijkdom van microbiële gemeenschappen heeft betrekking op de ouderdom van mariene sedimenten waar cellen worden gevonden - wat erop wijst dat in oudere sedimenten, voedselenergie is in de loop van de tijd afgenomen, het verminderen van de microbiële gemeenschap
• De absolute grenzen van het leven op aarde in termen van temperatuur, druk, en de beschikbaarheid van energie moeten nog worden gevonden. De records worden voortdurend verbroken. Een koploper voor het heetste organisme van de aarde in de natuurlijke wereld is Geogemma barossii, een eencellig organisme dat gedijt in hydrothermale bronnen op de zeebodem. zijn cellen, uiterst kleine microscopische bollen, groeien en zich vermenigvuldigen bij 121 graden Celsius (21 graden heter dan het kookpunt van water). Het microbiële leven kan tot 122°C overleven, het record behaald in een laboratoriumcultuur (ter vergelijking, de recordhoudendste plek op het aardoppervlak, in een onbewoonde Iraanse woestijn, is ongeveer 71°C - de temperatuur van doorbakken biefstuk)
• De recorddiepte waarop leven is gevonden in de continentale ondergrond is ongeveer 5 km; het record in zeewater ligt op 10,5 km van het oceaanoppervlak, een diepte van extreme druk; op 4000 meter diepte, bijvoorbeeld, de druk is ongeveer 400 keer groter dan op zeeniveau
• Wetenschappers hebben een beter begrip van de impact op het leven op ondergrondse locaties die door mensen zijn gemanipuleerd (bijv. gefractureerde schalies, koolstof winning en opslag)

Steeds grotere nauwkeurigheid en dalende kosten van DNA-sequencing, gekoppeld aan doorbraken in diepzeeboortechnologieën (pionierde op het Japanse wetenschappelijke schip Chikyu, ontworpen om uiteindelijk ver onder de zeebodem te boren in enkele van de meest seismisch actieve gebieden van de planeet) maakten het voor onderzoekers mogelijk om hun eerste gedetailleerde blik te werpen op de samenstelling van de diepe biosfeer.

Er zijn vergelijkbare pogingen om steeds dieper te boren onder continentale omgevingen, het gebruik van bemonsteringsapparatuur die druk in stand houdt om het microbiële leven in stand te houden (waarvan niet wordt gedacht dat dit een bedreiging of voordeel voor de menselijke gezondheid oplevert).

Om de totale massa van het subcontinentale diepe leven op aarde te schatten, bijvoorbeeld, wetenschappers verzamelden gegevens over celconcentratie en microbiële diversiteit van locaties over de hele wereld.

Onder leiding van Cara Magnabosco van het Flatiron Institute Center for Computational Biology, New York, en een internationaal team van onderzoekers, ondergrondse wetenschappers hielden rekening met een reeks overwegingen, inclusief wereldwijde warmtestroom, oppervlaktetemperatuur, diepte en lithologie - de fysieke kenmerken van rotsen op elke locatie - om te schatten dat de continentale ondergrond 2 tot 6 × 10 ^ 29 cellen herbergt.

Gecombineerd met schattingen van het ondergrondse leven onder de oceanen, totale wereldwijde Deep Earth-biomassa is ongeveer 15 tot 23 petagram (15 tot 23 miljard ton) koolstof.

Zegt Mitch Sogin van het Marine Biological Laboratory Woods Hole, VS, co-voorzitter van DCO's Deep Life-gemeenschap van meer dan 300 onderzoekers in 34 landen:"Het verkennen van de diepe ondergrond is verwant aan het verkennen van het Amazone-regenwoud. Er is overal leven, en overal is een ontzagwekkende overvloed aan onverwachte en ongewone organismen.

"Moleculaire studies verhogen de kans dat microbiële donkere materie veel diverser is dan wat we momenteel weten, en de diepste vertakkingslijnen dagen het concept van drie domeinen uit dat door Carl Woese in 1977 werd geïntroduceerd. Misschien naderen we een nexus waar de vroegst mogelijke vertakkingspatronen toegankelijk zouden kunnen zijn door middel van diepgaand onderzoek.

"Tien jaar geleden, we wisten veel minder over de fysiologie van de bacteriën en microben die de ondergrondse biosfeer domineren, " zegt Karen Lloyd, Universiteit van Tennessee in Knoxville, VS. "Vandaag, we weten dat, op veel plaatsen, ze steken het grootste deel van hun energie in het simpelweg in stand houden van hun bestaan ​​en weinig in groei, wat een fascinerende manier van leven is.

"Ook vandaag we weten dat ondergronds leven heel gewoon is. Tien jaar geleden, we hadden maar een paar locaties uitgeprobeerd - het soort plaatsen waar we leven zouden verwachten. Nutsvoorzieningen, dankzij ultradiepe bemonstering, we weten dat we ze vrijwel overal kunnen vinden, hoewel de bemonstering duidelijk slechts een oneindig klein deel van de diepe biosfeer heeft bereikt."

"Onze studies van microben in de diepe biosfeer hebben veel nieuwe kennis opgeleverd, maar ook een besef en een veel grotere waardering van hoeveel we nog moeten leren over het leven onder de grond, " zegt Rick Colwell, Staatsuniversiteit van Oregon, VS. "Bijvoorbeeld, wetenschappers weten nog niet alle manieren waarop het leven in de diepe ondergrond het leven aan de oppervlakte beïnvloedt en vice versa. En, voor nu, we kunnen ons alleen maar verbazen over de aard van de metabolismes die het leven mogelijk maken om te overleven onder de extreem verarmde en verbiedende omstandigheden voor leven in de diepe aarde."

Onder de vele overgebleven raadsels van diep leven op aarde:

Beweging: Hoe verspreidt het diepe leven zich - zijdelings door scheuren in rotsen? Omhoog, omlaag? Hoe kan het diepe leven zo op elkaar lijken in Zuid-Afrika en Seattle, Washington? Hadden ze een vergelijkbare oorsprong en werden ze gescheiden door platentektoniek, bijvoorbeeld? Of verhuizen de gemeenschappen zelf? Welke rol spelen grote geologische gebeurtenissen (zoals platentektoniek, aardbevingen; oprichting van grote stollingsprovincies; meteoritische bombardementen) spelen in diepe levensbewegingen?

Oorsprong: Is het leven diep in de aarde begonnen (hetzij in de korst, in de buurt van hydrothermale bronnen, of in subductiezones) migreren dan omhoog, richting de zon? Of is het leven begonnen in een warme kleine oppervlaktevijver en naar beneden gemigreerd? Hoe reproduceren ondergrondse microbiële zombies, of miljoenen tot tientallen miljoenen jaren leven zonder te delen?

Energie: is methaan, waterstof, of natuurlijke straling (van uranium en andere elementen) de belangrijkste energiebron voor diep leven? Welke bronnen van diepe energie zijn het belangrijkst in verschillende settings? Hoe de afwezigheid van voedingsstoffen, en extreme temperaturen en druk, impact microbiële verspreiding en diversiteit in de ondergrond?

"Ontdekkingen met betrekking tot de aard en omvang van de diepe microbiële biosfeer behoren tot de bekronende prestaties van het Deep Carbon Observatory. Deep Life-onderzoekers hebben onze ogen geopend voor opmerkelijke vergezichten - opkomende levensvisies waarvan we nooit wisten dat ze bestonden", zegt Robert Hazen, senior stafwetenschapper, Geofysisch laboratorium, Carnegie Instituut voor Wetenschap, en DCO uitvoerend directeur.

"Het zijn geen kerstversieringen, maar de kleine balletjes en het klatergoud van het diepe leven zien eruit alsof ze zowel een boom als Swarovski-glas zouden kunnen versieren. Waarom zou de natuur het diepe leven mooi maken als er geen licht is, geen spiegels?" zegt Jesse Ausubel van de Rockefeller University, een oprichter van de DCO.