Uralte Bakterien aus einer Entfernung von fast drei Kilometern unter der Erdoberfläche: Aus diesem Grund begann Tullis Onstott seine Suche nach Leben an den unwahrscheinlichsten Orten. Der Geomikrobiologe hatte gerade an einer Sitzung des US-Energieministeriums von 1992 über Gesteine teilgenommen, deren Alter auf über 200 Millionen Jahre geschätzt wurde - älter als die der meisten Dinosaurier. Diese prähistorischen Gesteine waren bei einer Gaserkundungsbohrung entdeckt worden, und es stellte sich heraus, dass sie voller Bakterien waren.
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"Das war ziemlich erstaunlich für mich", sagt Onstott von der Princeton University. "Die Idee, dass diese Bakterien in diesen Trias-Gesteinen gelebt haben, seit sie zu einem Zeitpunkt vor dem Zeitalter der Dinosaurier abgelagert wurden, hat mich in ihren Bann gezogen", sagt er.
Diese Gesteine gehörten zu den ersten substanziellen Beweisen dafür, dass Leben kilometerweit unter der Erde existiert, und sie haben die Forschungsanstrengungen beschleunigt, das Leben im sogenannten tiefen Untergrund zu untersuchen. In den letzten 20 Jahren haben Onstott und andere festgestellt, dass es eine größere Vielfalt an Leben in viel unwirtlicheren Orten gibt, als sich irgendjemand vorgestellt hat.
Tiefes Leben wurde auf der ganzen Welt und unter verschiedenen Bedingungen gefunden - in Ölfeldern und Goldminen, unter Eisschichten in Grönland und der Antarktis sowie in Sedimenten und Gesteinen unter dem Meeresboden. Diese Orte können extrem feindliche Umgebungen mit einem 10- bis 100-fachen Druck an der Oberfläche sein. Die Temperaturen können von fast gefroren bis über 140 Grad Fahrenheit reichen.
Eine Meile oder mehr unter der Oberfläche gibt es kein Sonnenlicht und sehr wenig Sauerstoff. In diesen kargen Umgebungen müssen Kreaturen ihren Lebensunterhalt mit der Energie bestreiten, die sie aus ihrer Umgebung aufbringen können. Dies bedeutet, dass der Lebensrhythmus dort unten manchmal unglaublich langsam sein kann. Diese Mikroben können tausend- oder millionenfach seltener vorkommen als ihre oberirdischen Brüder. Und manche gibt es vielleicht schon seit Hunderten, Tausenden oder sogar Millionen von Jahren - echte mikroskopische Methusalems.
Diese Kreaturen der Tiefe sind vielfältig und bestehen aus Bakterien und anderen einzelligen Organismen, die Archaeen genannt werden. Es gibt sogar vielzellige Tiere, einschließlich winziger Würmer, die Nematoden genannt werden.
"Was überraschend war, als wir dieses tief verborgene Universum weiter erforschen, ist, dass es dort unten komplexer ist, als wir es uns möglicherweise hätten vorstellen können, als wir in den 90er Jahren angefangen haben, Trias-Proben zu untersuchen", sagt Onstott.
Diese Komplexität hat den Forschern eine Welt von Möglichkeiten eröffnet, von der Beseitigung von Giftmüll bis zur Suche nach außerirdischem Leben. Einige dieser tiefen Organismen ernähren sich direkt von Metallen und Mineralien und können das Grundwasser beeinflussen, indem sie den Gehalt an Arsen, Uran und toxischen Metallen erhöhen oder verringern. Die Wissenschaftler hoffen, dass diese Bakterien bald so angepasst werden können, dass sie solche schädlichen Substanzen aus Dingen wie dem aus einer Mine austretenden Abwasser abfangen oder entfernen.
Aber das vielleicht Verlockendste ist die Vorstellung, dass die Bedingungen im Untergrund so fremd sind, dass sie den Forschern möglicherweise Hinweise darauf geben, wo außerirdisches Leben zu finden ist - und wie dieses Leben aussehen könnte.
"Es hängt direkt damit zusammen, ob Leben unter der Oberfläche des Mars existieren könnte", sagt Onstott. "Das hat mich von Anfang an in dieses Feld hineingezogen und ist immer noch ein Fahrer für mich."
Zwischen den extremen Umgebungen und der relativen Knappheit von Organismen gehen die Forscher sehr weit - und tief -, um diese Mikroben zu untersuchen. Sie wagen sich in Minen und Höhlen oder verwenden Bohrer, um Proben von unterirdischen Standorten oder vom Meeresboden zu extrahieren. In einigen Gebieten kann es mehrere Tage dauern, bis auch nur eine einzige Probe vorliegt. „Es ist nicht einfach, an die Enden der Erde zu gehen und zu bohren oder in die Arktis zu gehen und eine Meile unter Tage zu gehen, um eine Probe zu holen“, sagt Onstott.
Die höllischen Tiefen erforschen
Fast eine Meile unter der Erdoberfläche, tief in der südafrikanischen Beatrix-Goldmine, sucht Maggie Lau nach Leben. Es ist heiß und feucht und nur Scheinwerfer durchbrechen die Dunkelheit, als Lau, ein Geomikrobiologe in Onstotts Gruppe an der Princeton University, Wasser aus Bohrlöchern sammelt. Dies sind Löcher, die von Geologen in den Fels gebohrt wurden, um vor dem Abbau nach Gas- und Wassertaschen zu suchen. Lau füllt eine Reihe von Fläschchen mit Gas- und Wasserproben, deren Volumen von weniger als einem Teelöffel bis zu etwas mehr als zwei Pints reicht.
Maggie Lau sammelt in einer Phiole mehr als zwei Meilen unter der Erdoberfläche in der südafrikanischen TauTona-Goldmine Bohrlochwasser. (Francois Vermeulen (Manager Geowissenschaften, AngloGold Ashanti Limited)) Das Gas, das Lau sammelt, kann zeigen, wie alt das Wasser ist. "Die Proben, die ich untersuche, sind etwa 40.000 bis 80.000 Jahre alt", sagt sie. Das Wasser kann an der Oberfläche entstanden sein und über Jahrtausende durch Risse oder sogar Millionen von Jahren herabtropfen und Mikroorganismen von der Oberfläche oder aus flacheren Bereichen des Untergrunds mit sich bringen.
Im Gegensatz zum Wasser nimmt Lau einen schnelleren und dramatischeren Weg zum Forschungsstandort. Sie fährt in einem Aufzugskäfig einen Bergwerksschacht hinunter - der in weniger als einer Minute fast eine Meile abfällt - und läuft dann eine Meile oder mehr mit einem beladenen Rucksack. Einige Tunnel erfordern, dass Forscher kriechen, ihre Rucksäcke hinter sich ziehen oder in überfluteten Abschnitten durch knie- oder oberschenkelhohes Wasser waten. Gelegentlich ist die Aufzugskabine nach einem anstrengenden Arbeitstag nicht verfügbar, und Lau und Onstott müssen die Treppe wieder hinaufsteigen. "Wir scherzten, dass dies wie eine Treppe zum Himmel war", sagt sie.
In den höllischen Tiefen, in denen das Wasser bis zu 30 Grad Celsius warm ist und die Felsen sich oft warm anfühlen, ist nicht viel Leben zu finden. Um so viele lebende Zellen wie möglich für ihre Analyse zu sammeln, lässt Lau einige ihrer Fläschchen stehen, um Hunderte bis Tausende von Gallonen Wasser über mehrere Wochen bis einige Monate zu filtern.
Etwa eine Meile unter der Oberfläche findet Lau normalerweise 1.000 bis 10.000 Zellen in weniger als einem Teelöffel Wasser. Das mag viel erscheinen, aber eine Prise Erde aus Ihrem Garten kann 100.000 bis eine Million Mal so viele Zellen enthalten. An Orten, die mehr als eine Meile unter der Erde liegen, können nur 500 Zellen pro Teelöffel Wasser vorhanden sein. Lau schätzt, dass sie 200 Tage lang ununterbrochen Wasser filtern müsste, um genug DNA und RNA für ihre Analyse zu erhalten.
Es kann schwierig sein, Bakterienspezies im Labor zu züchten, ohne die spezifischen Lebensmittel oder die genauen Bedingungen zu kennen, unter denen sie gedeihen. Wissenschaftler konnten nur etwa ein Prozent der Bakterien an ihren Tieffeldstandorten züchten. Infolgedessen sind die meisten Arten nur aufgrund ihrer einzigartigen molekularen Signaturen bekannt - und die DNA- oder RNA-Sequenzierung hat eine Vielzahl von zuvor nicht identifizierten Bakterien in den Proben ergeben, die Wissenschaftler dort unten gesammelt haben.
Dieses Zeitraffervideo zeigt Forscher, die Proben in einer südafrikanischen Goldmine sammeln. (von Gaetan Borgonie)In letzter Zeit geht Lau einen Schritt weiter, als herauszufinden, was dort unten lebt - sie möchte wissen, was sie beruflich machen. Ohne Sonnenlicht und Pflanzen, die die Sonnenenergie durch Photosynthese einfangen, müssen diese tief lebenden Bakterien von der Energie der chemischen Reaktionen zwischen Gestein und Wasser leben. Diese Reaktionen können Wasserstoff, Methan und Sulfate produzieren, und Wissenschaftler gingen davon aus, dass diese drei Chemikalien die Mehrheit der in dieser tiefen Umgebung lebenden Bakterien befeuern würden.
Zu ihrer Überraschung stellte Lau fest, dass dies nicht der Fall war. Stattdessen erhalten die Chemikalien nur eine Minderheit der Bakterien, die dann Schwefel und Nitrate produzieren. Bakterien, die sich von diesen sekundären Chemikalien ernährten, dominierten in diesen Umgebungen.
Das bedeutet, dass Wissenschaftler auf der Suche nach tiefem Leben auf der Erde oder auf anderen Welten nach einem breiteren Spektrum von Stoffwechselreaktionen Ausschau halten sollten. „Konzentrieren Sie sich nicht nur auf die wenigen Hauptprozesse. Wir sollten aufgeschlossener sein, wenn wir die gesamte metabolische Landschaft betrachten “, sagt Lau.
„Es ist absolut aufregend, zu sehen, was sie alle dort unten tun. Wir wollten schon immer herausfinden, wie es geht, und jetzt können wir es Mach es endlich “, sagt Onstott.
"[Laus] erster Schnappschuss, es ist, als würde man das erste Bild vom Mars zurückbekommen, oder so, es ist unglaublich", fügt er hinzu.
Ein wahrer Zoo
Wo Beute ist, sind normalerweise Raubtiere. Und Bakterien machen eine leckere Mahlzeit für viele Kreaturen.
Als Gaetan Borgonie von diesen tiefen Bakterien hörte, fragte er sich, ob er an denselben unterirdischen Orten Würmer finden könne, die sich von Bakterien ernähren und Nematoden genannt werden. Borgonie, Zoologe bei Extreme Life Isyensya in Gentbrugge, Belgien, hatte 20 Jahre lang an diesen Würmern gearbeitet. Er wusste, dass Nematoden eine Vielzahl von Bedingungen an der Oberfläche überstehen konnten, einschließlich extrem heißer oder kalter Temperaturen und sehr niedrigem Sauerstoffgehalt. Theoretisch waren sie daher gut für Bedingungen im tiefen Untergrund geeignet.
Borgonie rief Onstott an, der ihn einlud, die Minen in Südafrika zu erkunden. Aber diese Würmer zu finden war nicht einfach. Obwohl sie an der Oberfläche sehr häufig vorkommen, musste Borgonie in den Minen mehr als 2.500 Gallonen Wasser entnehmen, um einen einzigen Fadenwurm zu finden. "Sie müssen wirklich Ihre Denkweise ändern und das, was Sie wissen, von der Oberfläche lassen, denn der Untergrund ist ein anderer Planet", sagt er.
Borgonie entdeckte eine große Anzahl von Nematoden, die in den Minen in 3.000 bis 12.000 Jahre alten Gewässern aus Bohrlöchern sowie in Stalaktiten, die in den Tunneln der Mine hingen, lebten. Dazu gehörten eine neue Art, die fast eine Meile unter der Oberfläche gefunden wurde, und ein weiterer nicht identifizierter Wurm, der mehr als drei Kilometer weiter unten lebt. Diese Tiere seien der erste Beweis für ein so tiefes, vielzelliges, eukaryotisches Leben, sagt Borgonie.
Im Gegensatz zu den einzigartigen Bakterien, die in diesen Tiefen gefunden wurden, gehörte die überwiegende Mehrheit der Würmer Arten an, die an der Oberfläche gefunden wurden. „Diese Tiere sind bereits an Stress gewöhnt und diejenigen, die an der Oberfläche opportunistisch sind, eignen sich sehr gut für den Untergrund“, sagt Borgonie.
Tiefe Umgebungen könnten angesichts der stabilen Bedingungen und des Mangels an Raubtieren für die Würmer tatsächlich einige Vorteile bieten. "Für sie ist es wie ein Urlaub", sagt Borgonie.
Weiße Pfeile verweisen auf Bakterien, die in Biofilmen im Bohrlochwasser der südafrikanischen Goldmine Kopanang gefunden wurden. (Gaetan Borgonie) Da Borgonie überzeugt war, dass in den Minen mehr solcher Tiere leben müssen, ließ er seine Probenahmegeräte für zwei Jahre in der südafrikanischen Goldmine Driefontein, um mehr als drei Millionen Gallonen Wasser zu filtern - genug, um fast fünf olympische Schwimmbäder zu füllen.
„Dann haben wir den gesamten Zoo gefunden“, sagt Borgonie. Er identifizierte mehrere andere multizelluläre Organismen, darunter Plattwürmer und segmentierte Würmer sowie scheinbar Krebstiere. Fast alle dieser Arten überlebten durch den Verzehr von Bakterien.
Die Entdeckung dieser Organismen ermutige Wissenschaftler, die außerirdisches Leben suchen, sagt Borgonie. „Ich finde es sehr gut, dass wir ein so riesiges Ökosystem im Untergrund finden“, sagt er. "Wenn wir beweisen können, dass sie unbegrenzt unter der Erde überleben können, dann sind dies möglicherweise sehr gute Nachrichten für Menschen, die nach Leben auf dem Mars suchen."
"Ich würde es wirklich lieben, diese Arbeit auf dem Planeten Mars zu machen", sagt er. "Deshalb sage ich immer, wenn sie mir jemals eine einfache Fahrkarte zum Mars geben, bin ich weg."
Der Alien Deep
Vielleicht hat Borgonie sein Ticket noch nicht, aber bevorstehende Weltraumerkundungsmissionen könnten uns eine bessere Vorstellung davon geben, ob andere Teile des Sonnensystems das Leben unterstützen könnten.
"Eines der Dinge, die die Menschen in Bezug auf die Astrobiologie optimistisch gemacht haben, ist die Feststellung, dass es Organismen gibt, die unter extremen Bedingungen bestehen können", sagt Tori Hoehler, Astrobiologe am NASA Ames Research Center. Hoehler ist Mitglied des Rock-Powered Life-Teams des NASA Astrobiology Institute, das untersucht, wie Reaktionen zwischen verschiedenen Gesteinsarten und Wasser genug Energie erzeugen können, um das Leben zu unterstützen.
„Einer der am weitesten verbreiteten Lebensräume, die es gibt, ist derjenige, der durch Fels und Wasser definiert wird“, sagt Hoehler. Sie können sich Aquifere vorstellen, die tief unter der Marsoberfläche sitzen oder die Ozeane, die über der felsigen Kruste von Jupiters Mond Europa oder Saturns Mond Enceladus schwappen, sagt er.
Die Europa Multiple Flyby Mission der NASA, deren Start in den nächsten fünf bis zehn Jahren erwartet wird, gibt Wissenschaftlern eine bessere Vorstellung davon, ob Jupiters eisiger Mond eine Umgebung hat, die das Leben unterstützen könnte. Was den Mars angeht, so haben sich Forscher von der Frage, ob sie eine bewohnbare Umgebung finden können, auf die Suche nach Beweisen für das Leben selbst begeben, sagt Hoehler.
Obwohl die Bedingungen auf der Marsoberfläche derzeit für das Leben äußerst unwirtlich sind, scheint der Planet in der Vergangenheit eine Atmosphäre und Oberflächenwasser gehabt zu haben. Wenn sich das Leben dann entwickelt hätte, hätte es sich auf den Marsuntergrund ausbreiten können, wo die Umgebung stabil blieb, selbst als die Oberfläche feindlich wurde. Es ist möglich, dass das Leben tief im Untergrund weiterlebt und darauf wartet, dass wir es ausgraben.
Eine künstlerische Darstellung des ESA-ExoMars-Rovers, der einen Bohrer trägt, der entwickelt wurde, um bis zu 6, 5 Fuß unter die Marsoberfläche abzusuchen. (ESA) Wir werden nicht lange warten müssen, um unseren ersten Blick unter die Marsoberfläche zu werfen. Die ExoMars-Mission der Europäischen Weltraumorganisation 2018 wird etwa einen Meter unter der Marsoberfläche bohren, um nach Lebenszeichen zu suchen. Das ist vielleicht nicht tief genug, um lebende Organismen zu finden, aber es sollte weit genug unter der Oberfläche sein, um Hinweise auf Leben zu finden.
Vor mehr als 20 Jahren, seit ihn alte Bakterien zum ersten Mal in das tiefe Leben der Erde geführt haben, kann Onstott es kaum erwarten, zu sehen, was wir auf dem Mars finden, besonders wenn Wissenschaftler ein wenig tiefer graben können.
"Wenn es auf dem Mars einen Sweet Spot gibt, an dem die richtige Balance zwischen Temperatur und Wasser herrscht, gibt es möglicherweise Organismen, die unter diesen Bedingungen überleben."
Erfahren Sie im Deep Carbon Observatory mehr über diese Forschung.
