과학자들은 우리 발 밑에 있는 흙과 바위에 광활한 생물권 전 세계 해양의 거의 두 배에 달하는 전 세계적 부피를 가지고 있습니다. 행성의 미생물 질량의 대부분을 대표하고 표면에 거주하는 생명체의 다양성을 능가할 수 있는 이러한 지하 유기체에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 그들의 존재에는 큰 수수께끼가 있습니다. 연구원들은 종종 그러한 지하 영역의 많은 부분이 원시 미생물만이 서식하는 산소 결핍 데드 존이라고 가정했습니다. 크롤링에서의 신진 대사 미량의 영양소를 긁어냅니다. 이러한 자원이 고갈됨에 따라 지하 환경은 깊이가 깊어질수록 생명이 없어져야 한다고 생각했습니다.

In 새로운 연구 지난 달에 발표된 자연 통신, 연구자들은 이러한 가정에 도전하는 증거를 제시했습니다. 캐나다 앨버타의 화석 연료 지대 200m 아래 지하수 저수지에서 그들은 빛이 없는 상황에서도 예상치 못한 많은 양의 산소를 생산하는 풍부한 미생물을 발견했습니다. 미생물은 연구원들이 "다크 산소"라고 부르는 것을 너무 많이 생성하고 방출하여 "아마존 열대 우림의 광합성에서 나오는 산소의 규모"를 발견하는 것과 같다고 말했습니다. 카렌 로이드, 연구에 참여하지 않은 테네시 대학의 지하 미생물학자. 세포 밖으로 확산되는 가스의 양이 너무 많아서 주변 지하수와 지층에서 산소에 의존하는 생명체에 유리한 조건을 만드는 것 같습니다.

획기적인 연구"라고 말했다. 바바라 셔우드 롤라, 작업에 참여하지 않은 토론토 대학의 지구 화학자. 과거의 연구는 종종 수소와 지하 생활에 필요한 다른 필수 분자를 생성할 수 있는 메커니즘을 살펴보았지만 산소가 광합성 및 빛의 존재와 밀접하게 관련되어 있는 것처럼 보이기 때문에 산소 함유 분자의 생성은 크게 간과되었습니다. 지금까지 "이와 같이 모든 것을 종합한 연구는 없었습니다."라고 그녀는 말했습니다.

새로운 연구는 "캐나다의 텍사스"라고 불리는 지하 타르, 오일샌드, 탄화수소 매장량이 풍부한 캐나다 앨버타 주의 깊은 대수층을 조사했습니다. 거대한 목축업과 농업 산업이 지하수에 크게 의존하기 때문에 지방 정부는 물의 산성도와 화학 성분을 적극적으로 모니터링합니다. 그러나 아무도 지하수 미생물학을 체계적으로 연구하지 않았습니다.

럭셔리 에밀 러프2015년 캘거리 대학교에서 미생물학 박사후 과정을 시작했을 때 그러한 설문 조사를 수행하는 것은 "쉽게 매달린 열매"처럼 보였습니다. 겉보기에 간단해 보이는 이 연구가 향후 XNUMX년 동안 그에게 부담이 될 것이라는 사실을 그는 거의 알지 못했습니다.

붐비는 깊이

앨버타 전역의 95개 우물에서 지하수를 수집한 후 Ruff와 그의 동료들은 기본 현미경 검사를 시작했습니다. 지하수 샘플의 미생물 세포를 핵산 염료로 염색하고 형광 현미경을 사용하여 계수했습니다. 샘플의 유기물을 방사성 연대 측정하고 수집된 깊이를 확인함으로써 연구자들은 지하수 대수층의 연대를 확인할 수 있었습니다.

숫자의 패턴이 그들을 당혹스럽게 했습니다. 예를 들어, 일반적으로 해저 아래 퇴적물을 조사할 때 과학자들은 미생물 세포의 수가 깊이에 따라 감소한다는 사실을 발견했습니다. 표면 근처의 조류. 그러나 Ruff의 팀을 놀라게 한 것은 더 오래되고 더 깊은 지하수가 담수보다 더 많은 세포를 보유하고 있다는 것입니다.

그런 다음 연구자들은 분자 도구를 사용하여 숨길 수 없는 마커 유전자를 찾아내어 샘플에서 미생물을 식별하기 시작했습니다. 그들 중 다수는 메탄을 생성하는 고세균(methanogenic archaea)으로, 암석이나 썩어가는 유기물에서 스며나오는 수소와 탄소를 소비한 후 메탄을 생성하는 단순한 단세포 미생물입니다. 또한 물 속에 있는 메탄이나 미네랄을 먹고 사는 많은 박테리아도 있었습니다.

그러나 이치에 맞지 않는 것은 많은 박테리아가 호기성 미생물, 즉 메탄과 기타 화합물을 소화하기 위해 산소를 필요로 하는 미생물이라는 점이었습니다. 광합성이 불가능하기 때문에 산소가 없어야 하는 지하수에서 호기성 미생물이 어떻게 번성할 수 있었습니까? 그러나 화학 분석 결과 200m 깊이의 지하수 샘플에서도 많은 용존 산소가 발견되었습니다.

들어 본 적이 없습니다. Ruff의 초기 반응은 "우리는 확실히 샘플을 망쳤습니다."였습니다.

그는 먼저 샘플의 용존 산소가 잘못 취급한 결과라는 것을 보여주려고 했습니다. “마치 셜록 홈즈가 된 것 같아요.” Ruff가 말했습니다. 당신의 가정이 틀렸음을 입증하기 위해 "증거와 징후를 찾으려고 노력합니다." 그러나 용존 산소 함량은 수백 개의 샘플에서 일관된 것처럼 보였습니다. 잘못된 취급은 그것을 설명할 수 없었다.

용존산소가 오염에서 나온 것이 아니라면 어디에서 왔습니까? Ruff는 논쟁의 여지가 있는 주장을 하는 것이 자신의 본성에 어긋나지만 자신이 큰 일에 직면해 있음을 깨달았습니다. 그의 공동저자 중 다수도 의심을 품고 있었다. 그 발견은 지하 생태계에 대한 우리의 이해의 기초를 산산조각낼 위협이 되었다.

모두를 위한 산소 만들기

이론적으로 지하수에 용해된 산소는 식물, 미생물 또는 지질학적 과정에서 비롯되었을 수 있습니다. 답을 찾기 위해 연구원들은 원자 동위원소의 질량을 측정할 수 있는 기술인 질량 분석법에 눈을 돌렸습니다. 일반적으로 지질 소스의 산소 원자는 생물학적 소스의 산소보다 무겁습니다. 지하수의 산소는 가벼워서 생명체에서 온 것이 틀림없다. 가장 그럴듯한 후보는 미생물이었다.

연구원들은 지하수에 있는 전체 미생물 군집의 게놈을 시퀀싱하고 산소를 생성할 가능성이 가장 높은 생화학적 경로와 반응을 추적했습니다. 대답은 XNUMX년 전에 발견한 것을 계속해서 지적했습니다. 마크 스트라우스 새로운 연구의 선임 저자이자 러프가 일하던 실험실 책임자인 캘거리 대학의

2000년대 후반 네덜란드의 한 연구실에서 일하던 스트로우스는 호수 퇴적물과 폐수 슬러지에서 종종 발견되는 일종의 메탄 공급 박테리아가 이상한 생활 방식을 가지고 있다는 사실을 발견했습니다. 다른 호기성 생물처럼 주변에서 산소를 섭취하는 대신 박테리아는 효소를 사용하여 아질산염(질소와 두 개의 산소 원자로 구성된 화학 그룹을 포함)이라는 용해성 화합물을 분해하여 자체 산소를 생성했습니다. 박테리아는 자체 생성 산소를 사용하여 메탄을 에너지로 분해했습니다.

미생물이 이런 식으로 화합물을 분해할 때 이를 dismutation이라고 합니다. 지금까지 산소를 발생시키는 방법으로 자연계에서는 드문 것으로 여겨졌다. 최근 실험실 실험 그러나 인공 미생물 군집을 포함하는 연구는 dismutation에 의해 생성된 산소가 일종의 공생 과정에서 다른 산소 의존 유기체의 이익을 위해 세포 밖으로 그리고 주변 매질로 누출될 수 있음을 밝혔습니다. Ruff는 이것이 호기성 미생물의 전체 공동체가 지하수와 잠재적으로 주변 토양에서 번성할 수 있게 하는 것이라고 생각합니다.

다른 곳의 생명을 위한 화학

이 발견은 거대한 지하 생물권이 어떻게 진화했는지, 그리고 변이가 지구 환경을 통해 이동하는 화합물의 순환에 어떻게 기여하는지에 대한 우리의 이해에서 중요한 격차를 메워줍니다. 매사추세츠 주 우즈홀에 있는 해양 생물학 연구소의 보조 과학자인 Ruff는 지하수에 산소가 존재할 가능성이 있다는 단순한 가능성이 "지하의 과거, 현재, 미래에 대한 우리의 이해를 변화시킨다"고 말했습니다.

우리 행성의 지하에 사는 것을 이해하는 것은 또한 "그 지식을 다른 곳으로 번역하는 데 중요하다"고 Lollar는 말했습니다. 예를 들어 화성의 토양에는 일부 지구 미생물이 염화물과 산소로 전환할 수 있는 과염소산염 화합물이 포함되어 있습니다. 목성의 위성 유로파에는 깊고 얼어붙은 바다가 있습니다. 햇빛이 침투하지 못할 수도 있지만 광합성 대신 미생물 변이에 의해 잠재적으로 산소가 생성될 수 있습니다. 과학자들은 토성의 위성 중 하나인 엔셀라두스의 표면에서 수증기 기둥이 뿜어져 나오는 것을 관찰했습니다. 플룸은 액체 상태의 물이 있는 지하 바다에서 발생했을 가능성이 높습니다. 언젠가 우리가 이와 같은 다른 세계에서 생명체를 발견한다면 생존을 위해 변이 경로를 사용하는 것일 수 있습니다.

dismutation이 우주의 다른 곳에서 얼마나 중요한 것으로 판명되었는지에 관계없이 Lloyd는 새로운 발견이 생명의 필요에 대한 선입견을 얼마나 무시하는지, 그리고 행성의 가장 큰 생물권 중 하나에 대해 그들이 드러내는 과학적 우둔함에 놀랐습니다. "마치 우리 얼굴에 계란이 있는 것 같아요."라고 그녀는 말했습니다.

편집자 주: Ruff는 Simons Foundation에서 초기 경력 조사자 기금을 받았습니다. 콴타 편집 독립 과학 뉴스 잡지로. 자금 지원 결정은 편집 범위에 영향을 미치지 않습니다.

정정: 17년 2023월 XNUMX일
이 기사의 이전 버전에서는 아질산염이 XNUMX개가 아닌 XNUMX개의 산소 원자를 포함하는 것으로 잘못 설명했습니다.