Menu

ABOVE: © ISTOCK.COM, RAWINTANPIN

Over ongeveer 20 minuten rijden ten noorden van de industriestad Timmins, Ontario, maakt de grond plaats voor een gapende groeve met een diameter van meer dan 100 meter. Deze put is het meest herkenbare kenmerk van de Kidd Creek Mine, de diepste koper- en zinkmijn ter wereld. Onder het aardoppervlak doorboort een doolhof van ondergrondse tunnels en schachten 3 kilometer oud vulkanisch gesteente. Zonder een enorm ventilatiesysteem dat de gangen koel houdt, zou de luchttemperatuur op deze diepte 34 °C bedragen.

Hier reist Barbara Sherwood Lollar, hydrogeologe aan de universiteit van Toronto, in de korst van de planeet op zoek naar tekenen van leven. “Je stapt in een kleine vrachtwagen of voertuig en rijdt over een lange, kronkelige weg die naar beneden kronkelt in de aarde,” vertelt ze aan The Scientist. Tegen de tijd dat zij en haar medepassagiers aan het eind van de weg in de gangen klauteren, “lopen we letterlijk over wat 2,7 miljard jaar geleden de oceaanbodem was,” zegt ze. “Het is een fascinerende en magische plek om te bezoeken.”

© AL GRANBERG

In tegenstelling tot mijnwerkers, die in deze tunnels op zoek gaan naar metaalertsen, zijn Sherwood Lollar en haar collega’s op zoek naar poelen met zout water. “Dit is geen water dat je in je huis pompt om te drinken of over je gewassen strooit,’ zegt Sherwood Lollar. “Dit is water dat gedurende lange geochemische tijdschalen in contact is geweest met het gesteente – het zit vol met opgeloste kationen en anionen die ze uit de mineralen hebben geloogd. Zo vol zelfs, dat ze een kenmerkende, muffe geur verspreiden. “Als we door deze tunnels lopen en ik ruik die stank, dan gaan we die kant op. Waar water is, is potentieel voor leven. In 2006 maakte Sherwood Lollar deel uit van een team onder leiding van Tullis Onstott van de Princeton University dat een anaërobe, sulfaatreducerende bacterie ontdekte die gedijde in het sulfaatrijke breukwater van de Mponeng goudmijn in Zuid-Afrika, 2,8 kilometer onder de grond.1 Een paar jaar later beschreef een andere groep een diverse microbiële gemeenschap die op een vergelijkbare diepte in de aardkorst leefde, toegankelijk via een boorgat dat in de grond in Finland was geboord.2 Met de recente ontdekking van water van 2 miljard jaar oud, rijk aan waterstof en sulfaat, dat uit het gesteente van de Kidd Mine sijpelt, hopen Sherwood Lollar en haar collega’s dat ze opnieuw leven zullen vinden.3

Vóór de opkomst van de landplanten zou de biomassa op grote diepte het leven aan de oppervlakte met een orde van grootte hebben kunnen overtreffen.

Deze expedities zijn slechts een onderdeel van een snel groeiend onderzoeksveld dat zich richt op het documenteren van microbieel en zelfs eukaryotisch leven dat honderden meters diep in de aardkorst woont – de enorme rotsmantel die de mantel van de planeet omhult. Onderzoekers onderzoeken nu deze levende onderwereld, of diepe biosfeer, niet alleen in de oude, langzaam veranderende continentale korst onder onze voeten, maar ook in de dunnere, dynamischer oceanische korst onder de zeebodem. (Zie de illustratie op blz. 32.) Dergelijke habitats zijn toegankelijker geworden dankzij de expansie van wetenschappelijke boorprojecten in de afgelopen twee decennia – waarbij onderzoekers boorkernen uit gesteente omhoog halen om aan de oppervlakte te bestuderen – en een groeiend aantal expedities naar de aarde via mijnen of scheuren in de oceaanbodem.

Studies naar deze donkere – en vaak zuurstofarme en hete – omgevingen dagen wetenschappers uit om de grenzen van het leven opnieuw te overdenken, en maken tegelijkertijd duidelijk hoe weinig we weten over de wereld onder onze voeten. “Het is een heel goed vakgebied als je het niet erg vindt om niet alle antwoorden te weten,” zegt Jason Sylvan, een geomicrobioloog aan de Texas A&M University. “Sommige mensen worden daar gek van. Voor mij is een vakgebied spannender als je echt grote vragen kunt stellen.”

Onderzoekers verkennen de diepe biosfeer Het meeste onderzoek naar de diepe biosfeer is uitgevoerd met behulp van monsters die op minder dan een kilometer onder het aardoppervlak zijn opgehaald. Maar een handvol boorgaten en andere door de mens gemaakte uitgravingen op zowel continentale als oceanische locaties reiken veel dieper in de aardkorst. Nummers 1-10: West naar Oost. Locatie Diepte Over 1 Hole 1256D, Oost Pacific Ocean 1.5 km Onderzoekers meldden in 2011 bewijzen van microbieel geproduceerde sulfiden op deze plaats. 2 Kidd Creek Mine, Canada 3.0 km In watermonsters van miljarden jaren oud vonden onderzoekers sulfaat dat wordt geproduceerd door interacties tussen water en gesteente, wat suggereert dat eventuele microben die daar leven een gemakkelijk beschikbare voedselbron zouden hebben. 3 Hole 504B, Costa Rica Rift 2.1 km Analyse van koolstofisotopen in de jaren negentig suggereerde microbiële activiteit, terwijl een recentere analyse van gegevens verzameld door een observatorium in een ondieper gat op ongeveer een kilometer afstand zwavel-oxiderende bacteriën aan het licht bracht. 4 Gat U1309D, Atlantis Massief 1,4 km In 2010 rapporteerden onderzoekers de aanwezigheid van een gemeenschap van bacteriën die overleefden op diepten van meer dan 1.3 kilometer, blijkbaar overlevend door koolwaterstoffen af te breken en koolstof en stikstof vast te leggen in afwezigheid van zuurstof. 5 KTB Boorgaten, Duitsland 9.1 km De temperaturen aan de voet van de diepste put op deze plaats bereiken 265°C – de meest hyperthermofiele organismen die we kennen op de planeet kunnen slechts overleven tot 113°C – en leven is hier nog niet gerapporteerd. 6 St1 Otaniemi, Finland 9.1 km Temperaturen aan de basis van de diepste put op deze site bereiken 265°C-de meest hyperthermofiele organismen bekend op waar ook ter wereld kunnen slechts overleven tot 113°C-en leven is hier nog niet gerapporteerd. 7 Mponeng goudmijn, Zuid Afrika 3.9 km In het midden van de jaren 2000 identificeerden onderzoekers een nieuwe soort sulfaatreducerende bacterie, Candidatus Desulforudis audaxviator, die endemisch lijkt te zijn voor diepe habitats. 8 Kola superdiepe boorput, Rusland 12,3 km Onderzoekers meldden dat ze water en microscopische fossielen van eencellige organismen vonden meer dan 6 kilometer onder de oppervlakte. 9 Hole 735B Southwest, Indian Ridge 1.5 km In 2011 bracht een isotopenanalyse van monsters aan het licht dat zeewatersulfaat chemisch werd gereduceerd door microben. 10 Hole C0020A, Japan Sea 2.5 km Vroege resultaten wijzen op een traaggroeiende microbiële gemeenschap die in staat is een reeks koolstof- en stikstofverbindingen meer dan 2 km onder de zeebodem te metaboliseren.

Gaten in de bodem

De wens om de diepe biosfeer te onderzoeken heeft Julie Huber, een microbieel oceanograaf aan het Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts, naar enkele van de meest afgelegen plaatsen op aarde geleid. Huber is geïnteresseerd in de enorme hoeveelheden water die tussen rotsdeeltjes in de oceaankorst ronddwarrelen, en in de omvang en diversiteit van het microbiële leven daarin. Eén manier om toegang te krijgen tot dat water is via dure boorprojecten, vaak georganiseerd door het International Ocean Discovery Program (IODP), die door mariene sedimenten naar de korst boren. In 2013 bracht deze aanpak bacteriën aan het licht die leefden in 3,5 miljoen jaar oud basaltgesteente onder de Stille Oceaan.4

De andere manier, legt Huber uit, “is om te zoeken waar dat water van nature door de zeebodem naar buiten lekt, en dan te proberen het op te vangen op het moment dat het naar buiten komt.” Met dat doel heeft Huber niet alleen samengewerkt met teams van ingenieurs om op afstand bediende voertuigen naar de bodem van de oceaan te loodsen, ze heeft zich ook aangesloten bij de gelederen van wetenschappers die de sprong hebben gewaagd met Alvin, een driekoppig afzinkbaar onderzoeksvoertuig dat eigendom is van de Amerikaanse marine en dat tot 4.500 meter diep kan duiken. “Claustrofobische mensen doen het daar niet goed,” erkent Huber, die eraan toevoegt dat iedereen die van plan is om te duiken, wordt uitgenodigd om in de onderzeeër te gaan zitten voordat deze het dek van de boot verlaat, om te voorkomen dat hij “in paniek de oceaan in wordt gelanceerd.”

Mijnen bieden onderzoekers directe toegang tot de diepe biosfeer, kilometers diep in de continentale korst van de aarde. Wetenschappers hebben nu verschillende van deze locaties, van de Kidd Creek Mine in Ontario (links) tot de goudmijnen in Zuid-Afrika (rechts), gebruikt om te zoeken naar ondergronds leven.

K. VOGLESONGER, UNIVERSITY OF TORONTO; G. BORGONIE

Met deze technologieën kan Huber monsters verzamelen van de vloeistoffen die uit de oceaankorst sijpelen, of soms exploderen, van onderzeese vulkanen en hydrothermale openingen. In het begin van de jaren 2000 gebruikten zij en haar collega’s 16S rRNA-gensequencing om de microbiële diversiteit onder de zeebodem te analyseren na meerdere uitbarstingen van Axial Seamount, een onderwatervulkaan op ongeveer 480 kilometer ten westen van Oregon en bijna 1,5 kilometer onder het wateroppervlak. Vergeleken met het zeewater op de achtergrond, toonden de monsters die werden genomen op de plaats van de uitbarsting meerdere unieke bacteriële5 en archaeale6 taxa aan die uit de korst leken te zijn gestoten, wat wijst op een diverse microbiële gemeenschap die onder de zeebodem gedijt. Meer recent heeft Huber’s groep een gedetailleerd onderzoek uitgevoerd op ’s werelds diepste hydrothermale vent veld – een site die bekend staat als Piccard, naar de Zwitserse diepzee avonturier Jacques Piccard – en duizenden vent-specifieke microbiële taxa gevonden in vloeistoffen die de korst verlaten bij temperaturen tot 108 °C.7

Dergelijke bevindingen worden typerend voor dit jonge onderzoeksveld. Tot op heden hebben studies van korstgebieden over de hele wereld – zowel oceanische als continentale – allerlei organismen gedocumenteerd die het redden in omgevingen die tot voor kort als onherbergzaam werden beschouwd, waarbij sommige theoretische schattingen nu suggereren dat leven tot minstens 10 kilometer in de korst zou kunnen overleven. En de diepe biosfeer bestaat niet alleen uit bacteriën en archaea, zoals ooit werd gedacht; onderzoekers weten nu dat de ondergrond verschillende schimmelsoorten8 en zelfs af en toe een dier bevat. Na de ontdekking in 2011 van nematodewormen in een Zuid-Afrikaanse goudmijn, heeft een intensief twee jaar durend onderzoek uitgewezen dat leden van vier ongewervelde fyla – platwormen, rotiferen, gesegmenteerde wormen en geleedpotigen – 1,4 kilometer onder het aardoppervlak leven.9

THE SCIENTIST STAFF

1864

Jules Verne betovert lezers met een verhaal over ondergrondse zeeën en prehistorische dieren in zijn onderaardse sciencefiction, Journey to the Center of the Earth.

1926

Geoloog Edson Bastin en microbioloog Frank Greer van de Universiteit van Chicago melden dat zij sulfaatreducerende bacteriën hebben aangetroffen in monsters van 300 miljoen jaar oude olieafzettingen die honderden meters onder de grond zijn begraven. De resultaten worden afgedaan als oppervlaktebesmetting.

1938

Microbioloog Claude Zobell beschrijft aërobe bacteriën in kernen van meer dan 50 centimeter lang, genomen uit diepzee mariene sedimenten voor de kust van Californië, wat leidt tot speculaties over leven onder de zeebodem.

1960

Oceaanverkenner Jacques Piccard ontdekt dierlijk leven op het diepst bekende punt in de oceaan, Challenger Deep in de Mariana Trench, bijna 11 kilometer onder het wateroppervlak.

1987

Ingenieurs van het Amerikaanse ministerie van Energie ontdekken met behulp van boorapparatuur die is ontworpen om besmetting aan de oppervlakte te voorkomen, microben die 500 meter onder de grond leven rond een nucleaire verwerkingsinstallatie bij de Savannah-rivier in South Carolina.

1990

Astrophysicus Thomas Gold publiceert een invloedrijk, controversieel artikel, getiteld “The Deep, Hot Biosphere,” waarin hij betoogt dat biomassa onder de grond in volume vergelijkbaar is met biomassa aan de oppervlakte, en dat het leven ondergronds kan zijn ontstaan.

2006

Onderzoekers ontdekken een bacterie in breukwater in een Zuid-Afrikaanse goudmijn, 2,8 kilometer onder de grond. Daaruit blijkt dat de bacterie geen verwanten aan de oppervlakte heeft.

2013

Een oceaanboorprogramma vindt basalt dat microben bevat, en levert zo het eerste overtuigende bewijs van leven in de oceaankorst.

2017

Japanse onderzoekers kondigen plannen aan om helemaal door de aardkorst tot in de mantel te boren. Het project, dat in 2030 van start moet gaan, is deels bedoeld om een antwoord te vinden op de vraag hoe diep onder de grond leven kan overleven.

Verrassend genoeg vinden onderzoekers bij het verkennen van deze ongewone habitats een aantal organismen die tot voor kort onbekend waren voor de wetenschap. De ontdekking van “extremofiele” archaea-soorten in het afgelopen decennium heeft wetenschappers ertoe gebracht de fylogenie van het gehele domein opnieuw te overdenken. (Zie “Archaea Family Tree Blossoms, Thanks to Genomics,” The Scientist, juni 2018.) En terwijl veel van de bacteriën en archaea die in de diepe biosfeer zijn ontdekt, analogen of nauwe verwanten aan de oppervlakte hebben, zijn sommige anders dan alles wat ergens anders is gevonden.

Een voorbeeld is Candidatus Desulforudis audaxviator, voor het eerst gevonden door Onstott’s team in de Mponeng goudmijn in 2006. (“Audax viator”, wat uit het Latijn vertaald “stoutmoedige reiziger” betekent, is een verwijzing naar een regel in Jules Verne’s Reis naar het middelpunt van de aarde). Onderzoekers hebben sindsdien bacteriën gevonden die op deze soort lijken op andere plaatsen die zich een kilometer of meer in de korst bevinden, maar hebben nog geen nauwe verwanten gevonden in oppervlaktemilieus. Een andere bacteriesoort, die meer dan 1000 meter diep in de Henderson molybdeenmijn in Colorado werd gevonden, vertoont zwakke fylogenetische overeenkomsten met leden van het fylum Nitrospirae, maar lijkt voor het overige niet op iets aan de oppervlakte.10

Een belangrijk onderzoeksgebied is nu het begrijpen hoe dergelijk leven overleeft. Verstoken van zonlicht, “zijn deze systemen typisch energie-arm,” zegt Sherwood Lollar. Vergeleken met oppervlaktemilieus zijn microben in de diepe biosfeer relatief traaggroeiend en dun verspreid, voegt ze eraan toe. Terwijl oppervlaktegrond meer dan 10 miljard microben per gram kan bevatten, bevat oceaankorst gewoonlijk ongeveer 10.000 cellen per gram, en continentale korst – waar water verrassend genoeg schaarser aanwezig is – bevat minder dan 1.000 cellen per gram.

Klik om een video te bekijken over enkele van de diepste gaten die wetenschappers in de aardkorst hebben geboord.

Het werken met dergelijke monsters met een lage biomassa vormt een uitdaging op zich, maar onderzoekers gebruiken een combinatie van technieken, waaronder metagenomische analyses en incubatie van gesteenten of vloeistoffen onder de grond met verschillende potentiële voedselbronnen in het lab, om de functie van microben onder de grond te onderzoeken. Dergelijke studies brengen genen aan het licht voor metabolische enzymen die suggereren dat deze organismen energie kunnen winnen uit een reeks bronnen – met name waterstof en andere moleculen die vrijkomen bij chemische reacties tussen water en gesteente. Toen geomicrobiologe Lotta Purkamo van de University of St Andrews en haar collega’s het ecosysteem van een 600 meter diep boorgat in Noord-Finland karakteriseerden, vonden ze bijvoorbeeld bewijs van metabolische routes gebaseerd op het reduceren of oxideren van sulfaat, nitraat, methaan, ammoniak en ijzer, evenals fixatiereacties met koolstof.11

Dankzij metatranscriptomische analyses leren we bovendien “dat deze organismen een heleboel potentiële metabolismen hebben die ze tot expressie zouden kunnen brengen,” zegt Huber, die onlangs een dergelijke assay uitvoerde op de Axial Seamount-gemeenschap.12 “Maar afhankelijk van de omstandigheden en de geologische setting wordt slechts een kleine subset van die genen gebruikt.” Dergelijke resultaten wijzen op een flexibele en opportunistische levensstijl, voegt ze eraan toe, waarbij microben gebruik maken van wat ze maar kunnen, wanneer ze maar kunnen.

Deze bevindingen helpen enkele van de grote vragen over de diversiteit en het unieke karakter van het leven in de diepe biosfeer te beantwoorden. Maar de inzichten die één boorkern of vloeistofmonster biedt, kunnen frustrerend kortstondig zijn, zegt geobioloog Steffen Jørgensen van de Universiteit van Bergen. Eén monster “geeft ons geen inzicht in de dynamiek van het systeem en hoe het zich in de loop van de tijd ontwikkelt”, zegt hij. Om op langere termijn zicht te krijgen op het leven diep in de aarde, gaan onderzoekers nu ondergronds experimenteren.

De vierde dimensie

Vorige zomer stapte Jørgensen uit een helikopter op een piepklein basalten eilandje zo’n 30 kilometer van de zuidkust van IJsland. Het eiland Surtsey, dat te rotsachtig is om per boot te bereiken, is het topje van een enorme magmaheuvel die uit de zeebodem is geblazen door een vulkaanuitbarsting onder water die in het midden van de jaren zestig bijna vier jaar heeft geduurd. Deze nieuw gevormde oceanische korst “geeft ons een enorm voordeel,” zegt Jørgensen. “We kunnen eigenlijk boren in wat een marien systeem is, maar dan vanaf het land.”

Met behulp van apparatuur die per helikopter naar Surtsey werd gevlogen, boorden Jørgensen en een groot team van ingenieurs zich in het basalt. Ze hebben niet alleen kernen van het eiland verwijderd, maar de onderzoekers hebben ook een mini-observatorium opgezet om in situ metingen te verrichten van de diepe biosfeer. In een 190 meter diep gat in het gesteente plaatste het team een reeks 10 meter lange aluminium buizen, waarvan sommige voorzien waren van een aantal kleine gleuven om vloeistoffen uit het omringende gesteente te laten doorsijpelen. Vervolgens liet het team in de buizen een kabel zakken met daaraan op bepaalde afstanden verschillende apparaten – temperatuur- en drukloggers en microbiële broedstoven – bevestigd, totdat de apparaten op één lijn stonden met de gleuven. Sindsdien hebben de instrumenten in het observatorium gegevens van de oceaankorst verzameld, en volgende zomer zullen Jørgensen en zijn collega’s teruggaan om te zien wat zij hebben gevonden.

De Surtsey-installatie is nu een van een handvol diepe observatoria over de hele wereld en maakt deel uit van een grotere inspanning om langetermijnstudies in zowel de oceaankorst als de continentale korst op te zetten. Dergelijke plaatsen bieden een venster op de activiteit van de diepe biosfeer en een kans om tijdreeksgegevens te verzamelen die van cruciaal belang zijn om te begrijpen hoe die biosfeer in de loop van de tijd verandert. “Het is de enige manier waarop we … waarnemingen kunnen doen die meer zijn dan ‘Ik ging naar deze plek, één keer in de geschiedenis van de wereld, en ik pakte een stel stenen, en dit is wat ik zag,'” zegt Sylvan.

Reis naar het middelpunt van de aarde

De recente uitbreiding van grootschalige wetenschappelijke boorprogramma’s, gecombineerd met intensievere inspanningen om te profiteren van bestaande poorten in de korst, heeft geleid tot een explosie van onderzoek naar de diepe biosfeer.
Diepzee, bemande onderwatervoertuigen en op afstand bediende voertuigen verzamelen vloeistofmonsters die natuurlijke toegangspunten tot de oceanische korst verlaten, zoals onderwatervulkanen of hydrothermale openingen. Deze monsters bevatten microben die in de onderliggende korst leven.
Het boren van gaten in de aardkorst maakt het mogelijk rots- en sedimentkernen te vinden die kilometers onder het oppervlak reiken. De gaten kunnen vervolgens worden gevuld met meetapparatuur om langetermijnmetingen van de diepe biosfeer te verrichten.
Diepe mijnen bieden toegangspunten voor onderzoekers om naar de continentale korst van de aarde te reizen, van waaruit ze nog dieper in de grond kunnen boren of kunnen zoeken naar microben die leven in water dat rechtstreeks uit het gesteente sijpelt.

Zie de volledige infografiek: WEB | PDF

© AL GRANBERG

Gegevens afkomstig van langetermijn-langetermijnstudies van de diepe biosfeer schetsen een dynamisch beeld. In juli van dit jaar publiceerde een team, bestaande uit Onstott en Sherwood Lollar, metagenomische, metatranscriptomische en metaproteomische analyses van gegevens die gedurende een periode van tweeënhalf jaar op een diepte van 1.339 meter waren verzameld uit een boorgat dat in de Zuid-Afrikaanse goudmijn Beatrix was geboord.13 In de loop van de studie verschoof de structuur van de microbiële gemeenschap in overeenstemming met natuurlijke fluctuaties in de geochemie van het grondwater – met name de beschikbaarheid van elektron-accepterende verbindingen zoals nitraten en sulfaten.

In de tussentijd heeft de groep van Huber een analyse gepubliceerd van gegevens die in twee jaar zijn verzameld van twee zogenaamde CORK (circulation obviation retrofit kits) observatoria die zijn geïnstalleerd in de oceaankorst onder North Pond, een plaats op de Mid-Atlantic Ridge, waardoor goed zuurstofrijk en – bij minder dan 15 °C – relatief koud water circuleert.14 Metagenomics toonde aan dat de microbiële gemeenschappen, die wezenlijk verschilden van die van warmere en anoxische milieus, in de loop van de tijd aanzienlijke verschuivingen doormaakten – waarbij het ene fylum de ene maand domineerde en het andere de volgende maand de overhand kreeg – ondanks slechts geringe fluctuaties in de geochemie van het water.

Zulke ondergrondse observatoria kunnen ook fungeren als in situ laboratoria. Door stenen op deze plaatsen jaren achtereen te incuberen, kunnen onderzoekers bestuderen hoe microbiële gemeenschappen nieuw materiaal koloniseren in hun natuurlijke omgeving in plaats van in het lab, en hoe de mineralogische samenstelling van de korst beïnvloedt wie waar groeit.15 De plaatsen zouden zelfs de dynamiek van de ondergrond op veel langere tijdschalen kunnen onthullen, door wetenschappers te helpen tekenen van oud leven te identificeren. Tot op heden zijn veel aanwijzingen over microbiële gemeenschappen in de loop van de geologische geschiedenis afkomstig van wat lijkt op gefossiliseerde of gemineraliseerde resten van bacteriën en archaea op gesteenten die uit de korst zijn gehaald. Maar gezien het feit dat onderzoekers zo weinig weten over de mineralisatieprocessen in de diepe ondergrond, wordt de echtheid van ten minste enkele van deze overblijfselen in twijfel getrokken.

“Het is vrij moeilijk om te zeggen of je werkelijk naar een fossiel kijkt van een organisme dat miljarden jaren geleden in de diepe biosfeer leefde,” legt geobioloog Sean McMahon van de Universiteit van Edinburgh uit. “Niet alleen is het in het algemeen moeilijk om fossiele bacteriën te herkennen, die op die grootteschaal heel erg op mineralen lijken, het is ook moeilijk om, als het echt een fossiele bacterie is, aan te tonen dat het organisme miljarden jaren geleden onder het oppervlak leefde.

Het is echt een goed vakgebied als je het niet erg vindt om niet alle antwoorden te weten.”

-Jason Sylvan, Texas A&M University

Om meer greep te krijgen op de langetermijndynamiek van de diepe biosfeer, proberen groepen als die van McMahon diepe mineralisatie na te bootsen in het lab. Zij doen dit door gesteente te enten met bacteriën, legt McMahon uit, en vervolgens de fysische en chemische omstandigheden aan te passen om fossilisatie op gang te brengen. “Het idee is om te proberen de juiste plek te vinden waar de microben gelukkig kunnen leven, maar je hoeft maar iets te veranderen om ze in mineralen te laten nestelen en fossiel te laten worden,” zegt hij.

Ondergrondse observatiestations zoals die op Surtsey kunnen dit onderzoek binnenkort aanvullen, zegt Jørgensen. “Door het observatorium kunnen we hopelijk ophelderen of deze structuren abiotisch kunnen worden geproduceerd, of dat we ze alleen zien als er microben aanwezig zijn,” zegt hij. “Het is een heel moeilijke vraag om tot op de bodem uit te zoeken.”

Het IJslandse eiland Surtsey (links) is ontstaan door een vier jaar durende vulkaanuitbarsting in de jaren zestig van de vorige eeuw.

SOLVEIG LIE ONSTAD

Onderzoekers hebben nu een diep observatorium geïnstalleerd in een gat dat zij hebben geboord om het leven in de diepe mariene biosfeer in de gaten te houden.

PAULINE BERGSTEN

Missing pieces

Hoewel het onderzoek naar de diepe biosfeer nog in de kinderschoenen staat, is het voor velen in het veld duidelijk dat de wetenschap al lang een verwrongen beeld heeft van wat leven in ons universum is. Onderzoekers zijn het verre van eens over de omvang van deze onderwereld – in een artikel uit 1990 werd controversieel gesuggereerd dat diep leven 50% van de huidige biomassa van de aarde uitmaakte,16 hoewel de meeste schattingen nu lager liggen dan 15%. Vóór de opkomst van landplanten zo’n 400 miljoen jaar geleden zou de biomassa in de diepte echter een orde van grootte groter kunnen zijn geweest dan het leven aan de oppervlakte, volgens berekeningen die deze zomer zijn gepubliceerd door McMahon en John Parnell van de Universiteit van Aberdeen.17

Hoeveel leven er ook onder het aardoppervlak bestaat, alleen al de aanwezigheid ervan dwingt tot een herwaardering van de biologische normaliteit, niet alleen op aarde maar ook diep op andere planeten zoals Mars. We gingen er immers van uit dat er in de aardkorst geen leven was,” merkt Purkamo op, die ook verbonden is aan het Centre for Exoplanet Science van St Andrews. Andrews, is verbonden aan het Centre of Exoplanet Science. “En dan, tada!”

Vondsten van de ondergrondse grens zetten wetenschappers er ook toe aan na te denken over hoe microben onder de grond – en de reacties die ze uitvoeren – van invloed zijn op wereldwijde processen die zich boven de oppervlakte afspelen. “Ik weet zeker dat mensen daar niet echt over nadenken,” merkt Jørgensen op. “Dat ze op deze enorme biosfeer lopen die een heel grote invloed kan hebben op hoe het systeem werkt.” Hetzelfde geldt voor pogingen om de fysieke en biologische evolutie door de geschiedenis van de planeet heen te begrijpen. “Als we bedenken hoe het leven op aarde in de loop der tijd is veranderd en hoe het heeft samengewerkt met de chemie van rotsen, sedimenten, grondwater, oceanen en atmosfeer, moeten we niet alleen denken aan charismatische dieren en planten”, zegt McMahon. “We zouden moeten denken aan deze enorme hoeveelheid micro-organismen, waarvan de meeste op de oppervlakken van minerale korrels leven en daarmee interageren.”

Dat is precies de visie die de huidige onderzoekers van de diepe biosfeer proberen te verbreden, en voor de meesten in het veld is het een spannende reis. “Het is alsof: Verdomme, er is zoveel dat we niet weten over wat daar beneden gebeurt,” zegt Huber, wiens team momenteel de diepe biosfeer onderzoekt bij een actieve onderwatervulkaan die bekend staat als Loihi, ongeveer 35 kilometer voor de kust van Hawaii’s Big Island. “En wat een voorrecht om deze vragen te kunnen stellen en dit soort wetenschap te bedrijven en te proberen het uit te zoeken.”

1. L.-H. Lin et al., “Long-term sustainability of a high-energy, low-diversity crustal biome,” Science, 314:479-82, 2006.
2. M. Itävaara et al., “Characterization of bacterial diversity to a depth of 1500 m in the Outokumpu deep borehole, Fennoscandian Shield,” FEMS Micro Ecol, 77:295-309, 2011.
3. L. Li et al., “Sulfur mass-independent fractionation in subsurface fracture waters indicates a long-standing sulfur cycle in Precambrian rocks,” Nat Commun, 7:13252, 2016.
4. M.A. Lever et al, “Evidence for microbial carbon and sulfur cycling in deeply buried ridge flank basalt,” Science, 339:1305-08, 2013.
5. J.A. Huber et al., “Bacterial diversity in a subseafloor habitat following a deep-sea vulcanic eruption,” FEMS Microbiol Ecol, 43:393-409, 2003.
6. J.A. Huber et al., “Temporal changes in archaeal diversity and chemistry in a mid-ocean ridge subseafloor habitat,” Appl Env Microbiol, 68:1585-94, 2002.
7. J. Reveillaud et al., “Subseafloor microbial communities in hydrogen-rich vent fluids from hydrothermal systems along the Mid-Cayman Rise,” Env Microb, 18:1970-87, 2016.
8. H. Drake et al., “Anaerobe consortia van schimmels en sulfaatreducerende bacteriën in diepe granietfracturen,” Nat Commun, 8:55, 2017.
9. G. Borgonie et al, “Eukaryotic opportunists dominate the deep-subsurface biosphere in South Africa,” Nat Commun, 6:8952, 2015.
10. J.W. Sahl et al., “Subsurface microbial diversity in deep-granitic-fracture water in Colorado,” Appl Environ Microbiol, 74:143-52, 2008.
11. L. Purkamo et al., “Diversity and functionality of archaeal, bacterial and fungal communities in deep Archaean bedrock groundwater,” FEMS Microbiol Ecol, 94:fiy116, 2018.
12. C.S. Fortunato, J.A. Huber, “Coupled RNA-SIP and metatranscriptomics of active chemolithoautotrophic communities at a deep-sea hydrothermal vent,” ISME, 10:1925-38, 2016.
13. C. Magnabosco et al., “Fluctuations in populations of subsurface methane oxidizers in coordination with changes in electron acceptor availability,” FEMS Microbiol Ecol, 94:fiy089, 2018.
14. B.J. Tully et al, “A dynamic microbial community with high functional redundancy inhabits the cold, oxic subseafloor aquifer,” ISME J, 12:1-16, 2018.
15. A.R. Smith et al., “Deep crustal communities of the Juan de Fuca Ridge are governed by mineralogy,” Geomicrobiol J, 34:147-56, 2017.
16. T. Gold, “The deep, hot biosphere,” PNAS, 89:6045-49, 1992.
17. S. McMahon, J. Parnell, “De diepe geschiedenis van de biomassa van de aarde,” J Geol Soc, doi:10.1144/jgs2018-061, 2018.