Met behulp van jarenlange gegevens verzameld uit met ijs bedekte habitats over de hele wereld, een team van de Montana State University heeft nieuwe inzichten ontdekt in de processen die het microbiële leven onder ijskappen en gletsjers ondersteunen, en de rol die deze organismen spelen in het voortbestaan ​​van het leven door ijstijden en, misschien, in schijnbaar onherbergzame omgevingen op andere planeten.

Promovendus Eric Dunham van MSU's Department of Microbiology and Immunology in het College of Agriculture, samen met mentor Eric Boyd, publiceerden hun bevindingen in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences deze week. Het werk onderzoekt de manier waarop water en microben interageren met het gesteente onder gletsjers, met behulp van sedimentmonsters genomen uit gletsjers in Canada en IJsland.

"We bleven organismen vinden in deze systemen die werden ondersteund door waterstofgas, " zei Boyd over de inspiratie voor het project. "Het klopte aanvankelijk niet, omdat we niet konden achterhalen waar dat waterstofgas vandaan kwam onder deze gletsjers."

Een team van onderzoekers, inclusief Boyd, ontdekte later dat door een reeks van fysische en chemische processen, waterstofgas wordt geproduceerd wanneer het silicarijke gesteente onder gletsjers wordt vermalen tot minuscule minerale deeltjes door het gewicht van het ijs erop. Wanneer die minerale deeltjes worden gecombineerd met gletsjersmeltwater, ze laten waterstof af.

Wat Boyd en Dunham nog fascinerender vond, was dat microbiële gemeenschappen onder de gletsjers dat waterstofgas konden combineren met koolstofdioxide om meer organisch materiaal te genereren, biomassa genoemd, via een proces genaamd chemosynthese. Chemosynthese is vergelijkbaar met hoe planten biomassa genereren uit koolstofdioxide door middel van fotosynthese, hoewel chemosynthese geen zonlicht nodig heeft.

Om meer te weten te komen over wat die chemosynthetische microben aan het doen waren, Dunham gebruikte sedimentmonsters van de gletsjers in Canada en IJsland. Hij kweekte monsters van de levende organismen die in het sediment werden gevonden in een laboratorium, ze gedurende meerdere maanden in de gaten houden om te zien of ze zouden blijven groeien in de gesimuleerde omgeving.

"De organismen waarin we geïnteresseerd waren, zijn afhankelijk van waterstofgas als voedsel om te groeien, en de meeste zijn ook anaëroben, wat betekent dat zuurstof hen zal doden, " zei Dunham, die oorspronkelijk uit Billings komt en het laatste semester van zijn doctoraatsstudie ingaat. "Een van de meest kritische stappen bij het voorbereiden van deze experimenten, en gemakkelijk het meest stressvolle element, was om die monsters in flessen te doen en alle zuurstof zo snel mogelijk weg te spoelen, dus ik heb de organismen die ik probeerde te bestuderen niet gedood."

Gedurende maanden van voorbereiding en observatie van de microbiële culturen, Dunham ontdekte dat het niet alleen mogelijk was om de groei van de gemeenschappen in de laboratoriumomgeving te volgen, maar ook dat het type gesteente dat onder een gletsjer ligt, van invloed was op de hoeveelheid waterstofgas die werd geproduceerd, wat op zijn beurt leidde tot de aanwezigheid van microbiële gemeenschappen die beter waren aangepast aan het metaboliseren van waterstof. Monsters genomen van de Kötlujökull-gletsjer in IJsland, die bovenop basaltachtig gesteente zit, produceerde veel meer waterstofgas dan de monsters van Robertson Glacier in Alberta, Canada, die een carbonaatbodem eronder heeft.

Omdat ze dat waterstofgas gebruiken om energie op te wekken, zei Boyd, de microben halen ook koolstofdioxide uit de lucht om biomassa te creëren, repliceren en groeien. Dat vermogen om koolstof te "fixeren" is een cruciaal proces voor klimaatregulering, een andere overeenkomst met fotosynthese in planten.

"Aangezien gletsjers en ijskappen tegenwoordig ongeveer 10% van de landmassa van de aarde bedekken, en een veel grotere fractie soms in het verleden van de planeet, microbiële activiteiten zoals degene die Eric heeft gemeten, hebben waarschijnlijk een grote impact gehad op het klimaat op aarde, zowel vandaag als vroeger, "zei Boyd. "We weten al een tijdje dat micro-organismen die onder ijskappen of gletsjers leven, koolstof kunnen fixeren, maar we hebben nooit echt begrepen hoe. Wat Eric's pionierswerk laat zien, is dat deze organismen niet alleen volledig zelfvoorzienend zijn in de zin dat ze hun eigen vaste koolstof kunnen genereren, ze hebben ook geen zonlicht nodig om het te doen zoals de rest van de biosfeer die we kennen."

Als we verder weg kijken naar de andere planeten in ons zonnestelsel, Boyd merkt op dat twee van de kritische elementen waar wetenschappers naar zoeken bij het beoordelen van bewoonbaarheid, water en een energiebron zijn. De hernieuwde kennis dat zelfvoorzienende microbiële gemeenschappen kunnen gedijen in ijzige omgevingen door de productie van waterstofgas, is een cruciale stap in de richting van het identificeren van potentieel bewoonbare omgevingen op andere planeten.

"Er is veel bewijs voor ijs en gletsjers op andere planeten, "zei hij. "Zijn ze bewoonbaar? Wij weten het niet. Zouden er microben kunnen leven onder ijskappen op planeten met gesteente vergelijkbaar met die welke Eric bestudeerde? Absoluut. Er is geen reden om anders te denken."

Voor Dunham, wiens niet-gegradueerde en postbaccalaureaatsonderzoek zich richtte op gezondheidswetenschappen en virologie voordat ze overstapten naar biogeochemie, het meest lonende deel van de nieuwe ontdekking is het onderzoeken hoe verschillende aardse processen in elkaar passen en elkaar beïnvloeden op manieren die de wetenschappelijke gemeenschap nog maar net begint te ontsluiten.