Je leest:

Leven onder kilometers gesteente

Leven onder kilometers gesteente

Micro-organismen komen op onmogelijk gedachte plaatsen op aarde voor, waaronder in gesteente op 3 km diepte. Is dit een tweede biosfeer? Wat is de biodiversiteit van deze micro-organismen? Geomicrobiologie is een vakgebied in opkomst.

Halobacteria archaea nasa
Cluster van cellen van de archaeabacterie Halobacterium sp.
NASA

In 1960 zonk de onderzoeksduikboot Alvin na het knappen van een kabel. De bemanning ontsnapte, terwijl de duikboot zonk naar de bodem op 1500 meter diepte. Ook de lunch van de bemanning kwam op de bodem terecht. Tien maanden later werd de boot opgevist, maar ook de worstebroodjes en appels. Geen spoor van aantasting door bacteriën te zien op het voedsel. (Veel) leven op grote diepte zou dus niet aanwezig zijn door deze extreme omstandigheden…

Maar al in 1955 vond Claude ZoBell micro-organismen (microben) tot acht meter diep in de zeebodem. In de jaren tachtig en negentig vonden de eerste expedities van het Ocean Drilling Program plaats met als resultaat diepe boringen in de zeebodem. In 1994 was het dan eindelijk zover: een artikel over microben die tot wel 500 meter diep in de zeebodem waren gevonden. Wereldnieuws destijds.

Overal

We kunnen ze overal vinden lijkt het wel. Al sinds 1980 weten we dat rond hydrothermale bronnen in de oceaan veel leven inclusief microben te vinden is, totaal onafhankelijk van zonlicht. In de afgelopen 15 jaar hebben geomicrobiologen leven gevonden op meer dan 3 km diepte in Zuid-Afrikaanse goudmijnen, in gesteente van 120°C in China, onder 1 km ijs met een temperatuur van -20°C en 500 meter onder de permafrost. Zelfs in 111 miljoen jaar oud gesteente op 1,6 km in de oceaanbodem vonden wetenschappers actieve microben. Thomas Gold zei het al in zijn bekende artikel uit 1992: “Microbieel leven is aanwezig op alle plaatsen waar microben kunnen overleven.”

Grand prismatic spring jim peaco  national park service
Archaea werden eerst gevonden in extreme omgevingen zoals ook hier in de Grand Prismatic Spring van het Yellowstone National Park (Wyoming, V.S.).
Jim Peaco, National Park Service

Waar leven ze van?

Wat hebben microben eigenlijk te zoeken op kilometers diepte? Het blijkt dat zelfs op die dieptes chemische energie te vinden is: in de gesteenten zelf en in het water dat langzaam door de poriën van gesteentes stroomt. Chemoautotrofe organismen maken hier gebruik van. Verder zorgt radioactief verval van elementen zoals uranium voor het splitsen van de H en O-atomen van water in de bodem. Het waterstof levert mogelijk een deel van de energie die de microben gebruiken.

De meerderheid van de microben graast echter van de organische koolstofverbinden (afkomstig van vroeger leven in de oceaan of op het land) die in de zeebodem zijn opgeslagen. De microben produceren op hun beurt methaan en koolstofdioxide en zorgen dat elementen zoals stikstof, fosfor en zwavel vrijkomen uit het bodem. Grondwaterstromen nemen die elementen, voedingstoffen voor leven in de oceaan, weer mee naar het oppervlak.

Voortplanting

De microben op diepte doen het rustig aan op z’n zachts gezegd: celdeling van bacteriën en andere prokaryoten (de Archaea of archaeabacterie) vindt plaats op een tijdsschaal van honderden jaren onder continenten, terwijl schattingen voor de genoemde Afrikaanse goudmijnen uitkomen op eens in de 1000 jaar. Weer een ander artikel heeft het over eens in de 1000-2000 jaar.

Wat bepaalt de biodiversiteit?

Hoe dieper je in de bodem gaat, hoe warmer het wordt. Ook voor microben lijkt te gelden dat ze niet op oneindige diepte kunnen leven. De limiet van waar microben zouden kunnen leven ligt rond de 120°C. Die diepte kan verschillen per plaats op aarde, maar is vaak kilometers de bodem in.

773px staphylococcus aureus 01 bacterie janice carr
De bacterie Staphylococcus aureus ~10.000 maal vergroot.
Janice Carr

Andere factoren die een invloed op de aanwezigheid en biodiversiteit van microben in de diepe bodem hebben zijn het beschikbare organische materiaal in de sediment- of gesteentelagen, de aanwezigheid van vrije energie, de druk van het water en de bodem, de beschikbaarheid van vloeistoffen, en voedingsstoffen die beschikbaar zijn zoals stikstof, koolstof en fosfor.

Ook de ouderdom van gesteente kan een rol spelen. In de oceaankorst dichtbij divergente plaatgrenzen, waar nieuw gesteente zich vormt uit lava, komen veel microben, vooral bacteriën, voor. In oud lavagesteente (> 15 miljoen jaar oud) juist veel minder. Opvallend is verder de vondst van dezelfde soorten bacteriën in oliehoudende gesteenten die duizenden kilometers uit elkaar liggen, terwijl er geen directe ondergrondse verbinding is.

De microbengemeenschappen in de bodem zijn duidelijk anders in soortensamenstelling dan die op de zeebodem. Omdat er zoveel beperkende factoren zijn in de zeebodem, is de diversiteit aan microben lager dan op de bodem. Of de archaea en niet de bacteriën het meest aanwezig zijn in de oceaanbomens wordt nog over gespeculeerd.

Hoeveel biomassa is er?

In 1998 schatten wetenschappers dat de meeste microben niet op het aardoppervlak zouden leven, maar in de oceaanbodem. Het zou gaan om 3,5 × 1030 van de in totaal ~5 × 1030 cellen. Hernieuwd onderzoek gaat echter uit van 5 × 1029 (=10%). In totaal zou ongeveer een derde van alle koolstof op aarde onder het aardoppervlak te vinden zijn volgens de studie uit 1998, al heeft een studie van 1994 het slechts over 10%. Wat de precieze getallen ook zijn: het is duidelijk dat het leven in deze tweede biosfeer in de bodems veel voorkomend is en dat het mogelijk een belangrijke invloed heeft op de koolstofcyclus op aarde.

Toepasbare kennis?

Het diepe leven heeft niet alleen invloed op de koolstofcyclus, maar heeft wellicht ook toepassingen. Daar is echter nog veel onderzoek voor nodig. Eén van de enzymen uit de diepe aarde kan helpen met het opruimen van kankerverwekkende stoffen vrijgekomen bij het mijnen van ertsen. Microben zouden ook kunnen helpen met het opruimen van milieuverontreiniging in de Amerikaanse staat Idaho. Kostenbesparing ten opzichte van conventionele methoden? Een slordige $7 miljoen naar schatting. Verder zouden sommige microben kunnen helpen met het monitoren van CO2 opgeslagen in de diepe ondergrond.

Geografie onderzoek microorganisms
Huidige plaatsen van onderzoek aan en toepassing van micro-organismen in de aardkorst.
Rick Colwell

Toekomst en open vragen

In de Amerikaanse staat South Dakota willen wetenschappers verder onderzoek doen aan microben op diepte. De mijn is al 2,4 km diep, maar verder boren naar 3-4 km diepte naar de ‘grens’ van de 120°C, waar microben nog net zouden kunnen leven, is een optie. Wetenschappers willen verder gesteente opwarmen tot 250°C en daarna laten afkoelen, waardoor vloeistoffen gaan bewegen. Zo kan gekeken worden wat er gebeurt met de levensgemeenschappen van microben, ook nadat het gesteente weer bewoonbaar wordt na afkoelen. Of het project nog doorgaat, is een open vraag.

Belangrijke vragen die nog open liggen in de geomicrobiologie is hoe snel evolutie optreedt in microben, hoe ze precies aan hun energie komen, hoe groot de invloed is op onder meer koolstofcyclus, wat de industriële toepassingen zijn van microben en tot waar het leven reikt.

De geomicrobiologie is een vakgebied in opkomst, omdat er nog veel te ontdekken is en omdat het aanwijzingen kan geven over het vroege leven op aarde. En ook mogelijk in welke omstandigheden microben kunnen leven buiten de aarde.

Bronnen:

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 31 december 2012

Discussieer mee

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE