Forskare med Deep Carbon Observatory (DCO) förvandlar vår förståelse för livet djupt inne i jorden, och kanske till andra världar. Deras upptäckter tyder på att det kan finnas gott liv i underytan på andra planeter och månar, även där temperaturen är extrem, och energi och näringsämnen är knappa. De har också upptäckt att hela livet doldt på den djupa jorden innehåller hundratals gånger mer kol än hela mänskligheten, och att den djupa biosfären är nästan dubbelt så stor som volymen av alla jordens hav.
"Befintliga modeller av koldioxidcykeln ... är fortfarande ett pågående arbete." - Dr. Mark Lever, DCO Deep Life Community Steering Committee. ”
DCO är inte en anläggning, utan en grupp på över 1 000 forskare från 52 länder, inklusive geologer, kemister, fysiker och biologer. De närmar sig slutet på ett tioårigt projekt för att undersöka hur Deep Carbon Cycle påverkar jorden. 90% av jordens kol är inne i planeten, och DCO är vår första ansträngning att verkligen förstå det.
DCO är en global strävan. Team av forskare har utforskat några av de djupaste gruvorna på jorden, borrat djupare i havsbotten än någonsin tidigare och granskat vulkaner i deras ansträngningar för att förstå jordens djupa koldioxidcykel. Och de är inte riktigt färdiga än.
De har upptäckt en konstig underjordisk värld som rymmer mellan 245 och 385 gånger så mycket kol som hela mänskligheten. Enligt DCO lever 70% av jordens bakterier och archaea under jord och de finns i den djupaste kända undergrunden. Och några av dem är zombies.
Vissa av dem finns i miljöer med extremt låg energi och näringsämnen. De växer knappt alls och spenderar sina tillgängliga resurser på att underhålla sig själva snarare än på att reproducera. Dessa "zombie" -bakterier kan leva i miljoner år utan att reproducera sig, en fantastisk upptäckt med konsekvenser för livets historia på jorden och livet på andra världar.
För en djupare titt på DCO: s arbete pratade jag med Dr. Mark Lever, en geomikrobiolog och professor vid schweiziska federala tekniska institutet i Zürich. Dr. Lever är också med på DCO: s Deep Life Community Steering Committee, och han ger oss mer inblick i DCO: s arbete, vad framtiden har och vilka konsekvenser det har för Search for Life.
Följande är utdrag från en e-postintervju med Dr. Lever som diskuterar Deep Carbon Cycle och livet djupt inne i jorden.
UT: Jag vet att forskare är ovilliga att spekulera för mycket, av goda skäl. Men Space Magazine är främst en webbplats för rymdvetenskap, och jag vet att våra läsare kommer att undra hur denna kunskap relaterar till sökandet efter livet i vårt solsystem. Mars? Ice Moons? Andra världar?
ML: ”Det har varit mycket prat om att använda de grundläggande insikterna från att studera jordens djupa koldioxidcykel för att utforska livsmiljö och koldioxidcykling på andra planeter och planetmåner i vårt solsystem. I likhet med Planet Earth, som har en rik och vidsträckt biosfär i sin underjordiska sten och sedimentära miljöer, kan dessa planeter och deras månar ha en produktiv och mångfaldig biosfär under deras ofta obebodda ytor. ”
"... vår planet kan visa sig vara ... den perfekta testplatsen för teknik som möjliggör upptäckt och detaljerad studie av livet någon annanstans i vårt solsystem och utanför." - Dr Mark Lever.
”Många av de tekniker som används för att utforska djup liv på jorden, inklusive borrteknologier som ger tillgång till föroreningsfria prover från kilometer under havsbotten eller under djupa Antarktiska isformationer, och de sofistikerade automatiserade övervakningsverktygen och instrument som har utvecklats , kommer att vara avgörande för att utforska dessa utomjordiska system. ”
"Vår planet kan visa sig vara - delvis sponsrad av DCO - den perfekta testplatsen för teknik som möjliggör upptäckt och detaljerad studie av livet någon annanstans i vårt solsystem och utanför."
”Jag tror också att den vetenskapliga insikten är relevant för att hitta och upptäcka livet på andra planeter. En av forskningsområdena för Deep Carbon Observatory är att identifiera gränserna för liv - och biologisk kolcykling - på jorden. Vilka variabler avgör var livet kan eller inte kan existera på jorden? Everett Shock har lämpligen myntat begreppet "biotisk frans" för att beskriva den imaginära gränsen i miljöförhållanden som skiljer den bebodda från den icke bebodda. "
"Jordens inre är ett mycket lovande ställe att utforska denna biotiska kant, på grund av det stora intervallet i förhållanden vad gäller temperatur, pH, tryck, porutrymme, näringskoncentrationer och energitillgänglighet som finns där. Flera (DCO) expeditioner har lyckats borra i djup sediment och bergformationer och kunnat dokumentera hur biomassan och livsmängden minskar gradvis tills livet är nära eller under detektionsgränsen. "
"Om livet på utomjordiska kroppar delar samma eller liknande biokemi som livet på jorden, är en förståelse av vad som kontrollerar och begränsar livfördelningen på jorden sannolikt relevant för dessa andra utomjordiska kroppar."
”När det gäller planetkroppar som vi har börjat utforska mer detaljerat är vår nuvarande provstorlek 1. I vilken utsträckning våra tolkningar är korrekta eller till och med universella kan endast bestämmas genom att studera ytterligare planetariska kroppar utöver den vi för närvarande lever på."
UT: Kommer denna nya kunskap om jordens kolcykel och den djupa biosfären att ha någon inverkan på vår förståelse av klimatförändringar, inte bara nu utan i det djupare förflutna?
ML: ”Målet med Deep Carbon Cycle har varit att förbättra den grundläggande förståelsen för kolcykeln sedan jordens bildning. Merparten av denna forskning är grundläggande relevant för nuvarande och tidigare klimatförändringar genom att den bidrar till en bättre förståelse av de faktorer som styr utbytet av kol mellan ”ytvärlden” - atmosfären, hydrosfären och det yttersta lagret av litosfären - och "Djupt underlag", dvs det mesta av planeten som ligger överallt från några meter till tusentals kilometer under det yttersta lagret av litosfären. "
"Även de minsta förändringarna i koldioxidutbytet mellan yt- och underjordvärlden skulle få dramatiska konsekvenser för jordens klimat - när som helst under hela dess historia." - Dr Mark Lever.
"Att förstå dessa utbyten är oerhört viktigt för att förstå tidigare, samtida och framtida klimatförändringar eftersom mängden kol som finns i" ytvärlden "troligen bara är en tiotusen av den mängd kol som finns i sediment under jord, och kanske bara hundra miljoner av den mängd kol som finns i jordskorpan och den övre manteln. "
"Även de minsta förändringarna i koldioxidutbytet mellan yt- och underjordvärlden skulle få dramatiska konsekvenser för jordens klimat - när som helst under hela dess historia."
UT: Kan den djupa biosfären ha spelat en roll i jordens återhämtning från utrotningshändelser som Permian-Triassic utrotning? Det är en enorm fråga, men finns det något sätt att förstå den djupa biosfären i det förflutna och hur det kan ha förändrats över tid?
ML: ”Den mest direkta kopplingen jag kan se till den permian-triassiska utrotningen går i den andra riktningen: det finns bevis för att ungefär samma tid, oavsett om det rör sig om stora meteoriska effekter eller inte, ökade frisättningen av metan från metanhydrater, dvs "metanis" som bildas vid låg temperatur och under högt tryck i havsbotten. "
”Det mesta av metan och metanhydrat, som finns i bottenvåningen, produceras förmodligen av mikroorganismer som lever meter till hundratals meter under havsbotten. Den plötsliga frisättningen av enorma mängder av den potenta växthusgasmetan, som i stort sett producerades av mikroorganismer i den djupa biosfären, kan ha bidragit till utrotningen av Perm-Triass. "
”Det finns mikroorganismer i haven som äter metan och andas syre. När mängden upplöst metan ökade kan dessa mikroorganismer ha använt allt upplöst syre i delar av haven, och bidragit till utrotningen av många marina djur som kräver upplöst syre för att andas och överleva. ”
UT: Jag tänker hela tiden på den djupa biosfären som ett slags "valv" för jordiskt genetiskt material, ett slags oavsiktligt skydd. Tror du att det är någon noggrannhet med den idén?
ML: ”Jag gillar mycket” valv ”-konceptet och tycker att det är meningsfullt eftersom vissa miljötyper i jordens inre, t.ex. ultramafiska bergarter, basaltisk skorpa, har förmodligen förblivit ganska lika sedan livets ursprung för ungefär fyra miljarder år sedan. ”
"Den mikrobiella" valv "-idén gäller förmodligen främst levande organismer, som har mekanismer för att reparera deras genetiska information, dvs. DNA och RNA."
"Det verkar osannolikt att vi någonsin kommer att kunna återhämta intakta gensekvenser från jordens tidigaste levande organismer i den djupa biosfären." - Dr Mark Lever, DCO.
"DNA och RNA är utmärkta energi- och näringskällor för många mikroorganismer och bryts snabbt ned av dessa om de släpps ut i miljön. De förstörs också av spontana kemiska reaktioner - som förekommer även i levande celler. Levande celler kan upptäcka de flesta av dessa spontana mutationer, reparera dem och därmed upprätthålla intakt genetisk information som gör att de kan hålla sig vid liv. DNA eller RNA från döda organismer repareras dock inte. ”
”Små mängder relativt intakt DNA- eller RNA-sekvenser kan bevaras i livsmiljöer under jord under tidsperioder på tusentals år, eller ibland några miljoner år, men kanske inte längre än det. Det verkar osannolikt att vi någonsin kommer att kunna återhämta intakta gensekvenser från jordens tidigaste levande organismer i den djupa biosfären. "
UT: DCO har gjort några fantastiska upptäckter. Vad är nästa för DCO, och vad tror du kommer att vara riktningen för framtida forskning om den djupa biosfären?
ML: ”DCO: s finansieringsperiod genom Alfred P. Sloan-stiftelsen håller på att avslutas hösten 2019. En stor sista konferens kommer att hållas vid National Academy of Sciences i Washington DC i oktober, där de tio år med DCO-existens kommer att firas och framtida riktningar för djup kolrelaterad vetenskap kommer att utforskas. ”
”Det finns många diskussioner bland DCO-forskare om sätt att upprätthålla denna mångfaldiga tvärvetenskapliga gemenskap av geofysiker, geologer, geokemister och mikrobiologer. En händelse som kommer att fortsätta föra oss samman är en Gordon Research Conference tema "Deep Carbon Science", som ägde rum för första gången sommaren 2018, och - på grund av dess stora framgång - planeras ske vartannat år från och med nu. ”
”En viktig riktning är vikten av jordbävningar för att stödja den djupa biosfären. Jordbävningar skapar en ny livsmiljö för mikroorganismer genom att spricka jordskorpan och låta mikrober kolonisera dessa sprickor och få tillgång till bergens härledda energikällor, till exempel reducerat järn. Jordbävningar pumpar också djupgående vätskor som är rika på mikrobiella energisubstrat, såsom väte eller metan, från den obebodda jordens inre till grundare, bebodliga zoner, och kan därmed låta djup liv sprida sig på boom- och bystcykler i seismiskt aktiva områden. ”
UT: Vad tycker du personligen är den mest spännande upptäckten från DCO?
"... möjligheten till grundläggande vetenskapliga upptäckter om jordens kolcykel är fortfarande stor." - Dr Mark Lever, DCO.
”För mig är den mest spännande upptäckten kanske att det vulkaniska flödet av koldioxid i atmosfären är dubbelt så högt som tidigare trott. Denna upptäckt - tillsammans med många andra av DCO - visar hur befintliga modeller av kolcykeln, särskilt med avseende på utbyte av kol mellan ytan och underjordiska världen, fortfarande är ett pågående arbete. Följaktligen är fönstret för möjligheter till grundläggande vetenskapliga upptäckter om jordens kolcykel fortfarande stort. ”
- Deep Carbon Observatory webbplats
- Center for Dark Energy Biosphere Investigations webbplats
- Pressmeddelande från DCO: Life in Deep Earth totalt 15 till 23 miljarder ton kol - hundratals gånger mer än människor
