Zstąpmy do głębi, czyli o bujnym życiu pod ziemią i wodą
Batyskaf „Alvin” miał awarię. Fragment okablowania uległ zniszczeniu i załoga – pilot i dwóch biologów morskich – musiała się ewakuować. Uszła cało, ale jej drugie śniadania opadły wraz z podwodnym pojazdem na głębokość ponad 1,5 km. Akcję jego odzyskania zorganizowano dopiero po 10 miesiącach. Pierwszym, co zwróciło uwagę badaczy po wyłowieniu batyskafu, był stan jedzenia. Ani kanapki, ani owoce nie nosiły na sobie śladów bakteryjnego rozkładu. To doprowadziło ówczesnych uczonych do prostej konkluzji: głębiny są tak nieprzystępne, że nawet rekordziści wytrzymałości, tacy jak bakterie, nie są w stanie w nich przetrwać. Kilka kawałków pieczywa pogrzebało wcześniejsze nadzieje mikrobiologów na parę dekad. Śmiałe przypuszczenia, że w głębinach mogłoby istnieć życie, zatonęły w 1968 r. wraz z „Alvinem”.
Powierzchniowi szowiniści
Zakładając, że mikroorganizmy zasiedlające dno oceaniczne będą zainteresowane mortadelą i jabłkiem, naukowcy popełnili pierwszy grzech antropocentryzmu. A wręcz „powierzchniowizmu” (Thomas Gold, astrofizyk i astronom z Cornell University, jako pierwszy nazwał takie zjawisko surfacism lub surface chauvinism). Uznali, że nawet gatunki diametralnie odmienne od nas mają takie same potrzeby jak my.
Dopiero w latach 80. i 90. nieliczni badacze odważyli się podważyć to założenie. Jednym z nich był geomikrobiolog John Parkes, obecnie pracujący na Cardiff University. Brał on udział w świeżo uruchomionym Ocean Drilling Program – międzynarodowym projekcie mającym na celu m.in. zbadanie składu i struktury oceanicznego dna. Wyniki uzyskane dzięki tym eksploracjom przekonały Parkesa i kilkoro badaczy z University of Bristol, że bakterie mogą kolonizować znacznie większe głębiny niż w przeszłości ośmielano się sądzić. Zebrane dane wykazywały, że nawet na głębokości 500 m może kwitnąć życie. Badacze opisali je w pracy, którą próbowali w 1990 r. zamieścić na łamach „Nature”. Niestety publikacja została odrzucona. Uczonym, którzy w tamtym czasie wydobywali z głębin oraz z podziemi próbki mikroorganizmów, zarzucano np., że ich przełomowe odkrycia to wynik zanieczyszczenia materiału drobnoustrojami powierzchniowymi.
Dopiero w 1994 r. przyszedł czas pierwszych sukcesów. „Nature” przyjęło i opublikowało pracę Parkesa i współpracowników „Głęboka biosfera bakterii w osadach Pacyfiku”. Pisali: „Chociaż ok. 70 proc. powierzchni Ziemi to obszary morskie, niewiele wiadomo na temat mikrobiologii oceanicznych osadów, a mogą mieć one grubość ponad kilometra. […] W naszej pracy przedstawiamy odkrycie żywotnych populacji bakterii osadowych pozyskanych […] z głębokości powyżej 500 m”.
Szacuje się, że żywe komórki pod powierzchnią Ziemi mają prawie dwukrotnie większą objętość niż oceany.
Publikacja ta była jedną z przełomowych – nie tylko dlatego, że dowiodła obecności życia w głębinach, ale też z uwagi na rozwojową konkluzję. Autorzy zauważyli, że społeczności podwodnych i podziemnych (czy raczej „podosadowych”) mikrobów są ściśle powiązane z konkretną głębokością i lokalną geochemią. Do tego stopnia, że na podstawie analizy ich rozmieszczenia i aktywności można by wyznaczać izobaty (linie łączące punkty o jednakowej głębokości). A ponieważ w najgłębszym badanym obszarze uczeni również zanotowali charakterystyczne zmiany rozmieszczeń bakterii i ich działalności metabolicznej, uznali, że poniżej granicy ich analizy mogą się znajdować kolejne mikroorganizmy mające cechy, których nigdy wcześniej nie obserwowano. Nie mylili się.
Głębinowe Galapagos
Dziś już nie pytamy, czy życie może przetrwać na dnie oceanu albo głęboko pod ziemią. Pytamy raczej o to, jak jest ono bogate i liczne. I czy nie bardziej zróżnicowane niż wszystko, co znamy z powierzchni. W 2018 r. tzw. głęboka biosfera (nazywana również ciemną biosferą) została nazwana przez uczestników projektu Deep Carbon Observatory „głębinowym Galapagos”. Naukowcy sięgnęli znacznie dalej niż dotychczasowa analiza oceanicznych osadów. Korzystali z dostępnych otworów wiertniczych oraz z kopalni. Pobierali setki próbek z głębokości nawet 5–10 km. Oszacowali, że objętość żywych organizmów żyjących w głębokiej biosferze sięga 2–2,3 mld km sześc. To by oznaczało, że żywe komórki pod powierzchnią Ziemi mają prawie dwukrotnie większą objętość niż oceany (ok. 1,3–1,4 mld km sześc.).
Nie chodzi tu tylko o kolejne liczby i ciekawostki, lecz o zmianę myślenia o życiu. W podziemnych warunkach ilość dostępnej energii jest bardzo ograniczona. Za to wiele składników, o które powierzchniowe organizmy dosłownie się zabijają (takie jak woda, fosfor, żelazo, azot), występuje w wielkiej obfitości. To sprawia, że perspektywa podziemnych gatunków jest odwrotna od naszej.
Wiele powierzchniowych organizmów przestrzega zasady: żyj szybko, umieraj młodo, intensywnie eksploatuj środowisko i stwarzaj swoje kolejne kopie. To się nie sprawdza pod ziemią. Tu wygrywają gatunki wytrzymałe i cierpliwe. Ich metabolizm może być wolniejszy od wszystkiego, co znamy z własnego podwórka. Jak twierdzi Karen Lloyd, mikrobiolożka z University of Tennessee, niektóre ze zbadanych przez nią drobnoustrojów nie dokonały ani jednego podziału komórkowego od czasów starożytnego Egiptu, ponieważ ich cykle życiowe zachodzą nie w skali minut, godzin lub dni, lecz epok czy er.
W tym niezwykłym habitacie żyją nie tylko prokarionty (jednokomórkowe organizmy bez jądra komórkowego), takie jak bakterie czy archeony (drobnoustroje pod niektórymi względami podobne do bakterii). Można tu odnaleźć również zwierzęta, i to nawet na głębokości ok. 1,5 km – choćby nicienie, czyli przedstawicieli tego samego typu, co glista ludzka, która pasożytuje w jelitach człowieka. Łatwo sobie wyobrazić, jak bardzo odmienny tryb życia mają oba te bezkręgowce, mimo że należą do tego samego taksonu.
Na temat głębokiej biosfery wiemy wciąż tak niewiele, że trudno jest nam nawet przewidzieć, czego moglibyśmy się po niej spodziewać. Tę wielką niewiadomą Karen Lloyd porównuje do sytuacji, w której organizm żyjący zaledwie jeden dzień chce poznać i zrozumieć biologię drzewa. Ale widzi je zimą, kiedy roślina pozbawiona jest liści, pozostaje w stanie uśpienia, nie wydaje kwiatów ani owoców, nie przyciąga owadów i kręgowców zakładających gniazda w jego koronach. Jednak już ta fragmentaryczna wiedza, którą posiadamy obecnie, pokazuje, że w ciemnej biosferze kryje się ogromny potencjał.
Monotonni to my
Z obecnych szacunków wynika, że bakterie i archeony żyjące głęboko pod powierzchnią ziemi stanowią 70–90 proc. biomasy ziemskich prokariontów. Jednak waga nie jest najlepszym wskaźnikiem odzwierciedlającym bogactwo życia. Na przykład niezależnie od tego, czy uwzględni się masę suchą, mokrą, czy tylko masę „uwięzionego” w ciałach węgla, pierwsze miejsce w tej kategorii zajmują na Ziemi rośliny (odpowiednio: 2700 mld ton masy mokrej, 900 mld ton masy suchej i 450 mld ton masy węgla). Mikroorganizmy zajmują zaś zaszczytne drugie miejsce (masa mokra: 200 mld ton, sucha: 60 mld ton, masa węgla: 30 mld ton). A jednak to właśnie prokarionty są najliczniej występującymi na Ziemi organizmami, reprezentują też największe zróżnicowanie gatunkowe.
Szacunki zawarte w raporcie opublikowanym w 2018 r. m.in. przez naukowców z University of Tennessee wykazują, że aż dwie trzecie wszystkich gatunków prokariontów żyje w podziemnych, a nie powierzchniowych habitatach. Wiadomo, że istnieją i żyją, ale nie ma pewności, czym są, jakie mają cechy ani jak oddziałują na otoczenie. A przecież, jeśli wspomniane szacunki są prawidłowe, to organizmy te stanowią największą reprezentację ziemskiej bioróżnorodności.
Dane te mają nietrywialne implikacje. Jako typowi wyznawcy „powierzchniowizmu” ulegamy co najmniej dwóm złudzeniom. Pierwsze polega na tym, że nasza fizjologia (oddychanie tlenowe, światło słoneczne jako źródło energii itp.) jest „normalna”, a ta podziemna – nietypowa, ekstremalna. Jeśli jednak sobie uzmysłowimy, że to głębinowe życie występuje powszechniej (u większej liczby osobników) niż to powierzchniowe, to okaże się, że styl życia prowadzony przez mikroby z głębokiej biosfery jest zupełnie „normalny”, przeciętny, a nasz stanowi ewenement.
Czy życie zaczęło swoją przygodę głęboko pod ziemią, a następnie wypełzło na powierzchnię, czy odwrotnie?
Drugie złudzenie to poczucie, że podziemne życie musi być monotonne. Wszak wszystkie te organizmy to tylko wyglądające podobnie kropki pod mikroskopem. Skoro jednak zróżnicowanie tych głębinowych gatunków jest większe niż tych powierzchniowych, to znaczy, że monotonni jesteśmy raczej my – machiny biologiczne o osiowym schemacie ciała, konsumujące glukozę i prowadzące tlenowy metabolizm.
Organizmy żyjące w głębokiej biosferze budują swoje ciała z najróżniejszych biochemicznych klocków. „Jedzeniem”, czyli w praktyce dawcą elektronów, są tu zarówno wodór uwolniony ze skał, metan, związki siarki, jak i jony amonowe. Z kolei „oddychanie” odbywa się dzięki takim akceptorom elektronów, jak azotany, azotyny, tlenki żelaza czy manganu, utlenione związki siarki czy dwutlenek węgla. Bywa i tak, że w mikrobiologicznej Morii pojawia się tlen. Jednak nie ten pochodzący z powierzchni – wytwarzany przez autotrofy napędzane słonecznymi fotonami – lecz tzw. tlen ciemny, powstały w głębinach. Mogą go wytwarzać bakterie żywiące się metanem. Rozkładają one azotyny do azotu i tlenu i wykorzystują ten ostatni do „trawienia” metanu będącego dla nich źródłem energii. Czasami nadwyżki wyciekają z organizmu twórcy i zapewniają przetrwanie sąsiadującym mikroorganizmom, które, choć żyją kilka kilometrów pod powierzchnią, mają tlenowy metabolizm.
Dieta cud
Część naukowców uważa, że niektóre z przytoczonych szacunków mogą być przesadzone. Zauważają, że podziemne życie może i jest równie zróżnicowane jak to powierzchniowe, ale stanowi „jedynie” kilka procent masy całej ziemskiej biosfery. Jednak nawet przy najbardziej ostrożnych kalkulacjach mikroorganizmy żyjące głęboko pod powierzchnią przebijają swoją biomasą ludzi 200–300 razy. Kolejne lata przyniosą zapewne dalszy postęp nauki i technologii, a wraz z nim – wiedzy o głębokiej biosferze. Już teraz jednak podziemne mikroby dostarczyły ważnych odpowiedzi i być może jeszcze istotniejszych pytań.
Pierwsze z nich jest oczywiste: czy szukając życia poza Ziemią, nie popełnialiśmy do tej pory błędów typowych „powierzchniowistów”? Przeczesywanie kosmosu w poszukiwaniu tlenu i tzw. optymalnych temperatur wydałoby się zabawne archeonowi z gatunku Geogemma barossii, który przy 121 stopniach jest w stanie nie tylko żyć, ale i rozmnażać się z sukcesem.
Drugie pytanie dotyczy początków życia na naszej planecie. Wciąż nie rozstrzygnięto ostatecznie, czy pochodzi ono spoza Ziemi, czy jest natywne dla naszego globu. Jednak niezależnie od pochodzenia pierwszych żywych komórek dane dotyczące głębokiej biosfery wywołują kolejną wątpliwość: czy życie zaczęło swoją przygodę głęboko pod ziemią, a następnie wypełzło na powierzchnię, czy odwrotnie?
Jest jeszcze trzecie pytanie, które zadali sobie badacze źródeł termalnych. Woda w niektórych zbiornikach ma nawet 50 stopni, ponieważ znajdują się one w okolicach tzw. zbieżnych granic, czyli miejsc, w których dwie płyty tektoniczne przesuwają się po sobie, tworząc strefę subdukcji (jedna płyta „nurkuje” ku głębinom, druga przesuwa się po niej ku górze). W ten sposób głębinowe ciepło wydostaje się na powierzchnię, a wraz z nim – gotowe do pobierania próbki. Geomikrobiolodzy bardzo lubią z nich korzystać, ponieważ dane na temat „głębin” można uzyskać, nie wwiercając się kilka kilometrów w skorupę ziemską.
W ostatnich latach analizy takich próbek wykazały, że wiele kilometrów pod źródłami termalnymi żyją mikroorganizmy zaliczane do chemolitoautotrofów. Mogą przekształcać dwutlenek węgla w mineralny węglan. Trudno sobie wyobrazić bardziej przydatną umiejętność w czasach, w których walczymy o redukcję każdego kilograma tego gazu cieplarnianego. Trzecie pytanie brzmi więc: czy dziwaczne, podpowierzchniowe drobnoustroje, w których istnienie do niedawna nie wierzyliśmy, mogłyby pomóc w rozwiązaniu jednego z największych problemów, z jakimi zmaga się obecnie ludzkość? Gdyby się okazało, że organizmy, które częstowaliśmy mortadelą, wolą jeść nasz dwutlenek węgla, to byłaby to pierwsza w historii dieta cud, która ma sens.