Wetenschappers zijn gaan beseffen dat er in de grond en rotsen onder onze voeten ligt een uitgestrekte biosfeer met een mondiaal volume dat bijna twee keer zo groot is als dat van alle oceanen ter wereld. Er is weinig bekend over deze ondergrondse organismen, die het grootste deel van de microbiële massa van de planeet vertegenwoordigen en waarvan de diversiteit die van aan de oppervlakte levende levensvormen kan overtreffen. Hun bestaan ​​brengt een grote puzzel met zich mee: onderzoekers hebben vaak aangenomen dat veel van die ondergrondse rijken zuurstofarme dode zones zijn die alleen worden bewoond door primitieve microben die hun leven behouden. stofwisselingen in een stroomversnelling en schrapen door op sporen van voedingsstoffen. Naarmate die bronnen uitgeput raken, dacht men, moet de ondergrondse omgeving met grotere diepte levenloos worden.

In nieuw onderzoek vorige maand gepubliceerd in Nature Communications, presenteerden onderzoekers bewijs dat deze aannames in twijfel trekt. In grondwaterreservoirs 200 meter onder de fossiele brandstofvelden van Alberta, Canada, ontdekten ze overvloedige microben die onverwacht grote hoeveelheden zuurstof produceren, zelfs bij afwezigheid van licht. De microben genereren en geven zoveel van wat de onderzoekers "donkere zuurstof" noemen, vrij dat het is alsof ze "de schaal van zuurstof ontdekken die afkomstig is van de fotosynthese in het Amazone-regenwoud", zei Karen Lloyd, een ondergrondse microbioloog aan de Universiteit van Tennessee die geen deel uitmaakte van het onderzoek. De hoeveelheid gas die uit de cellen diffundeert is zo groot dat het gunstige omstandigheden lijkt te scheppen voor zuurstofafhankelijk leven in het omringende grondwater en de omringende aardlagen.

"Het is een baanbrekende studie," zei Barbara Sherwood Lollar, een geochemicus aan de Universiteit van Toronto die niet bij het werk betrokken was. In eerder onderzoek is vaak gekeken naar mechanismen die waterstof en enkele andere vitale moleculen voor het ondergrondse leven kunnen produceren, maar het genereren van zuurstofbevattende moleculen is grotendeels over het hoofd gezien omdat zuurstof zo verbonden lijkt met fotosynthese en de aanwezigheid van licht. Tot nu toe "heeft geen enkele studie het zo goed samengebracht als deze", zei ze.

De nieuwe studie keek naar diepe watervoerende lagen in de Canadese provincie Alberta, die zulke rijke afzettingen van ondergrondse teer, oliezanden en koolwaterstoffen heeft dat het "het Texas van Canada" wordt genoemd. Omdat de enorme veeteelt- en landbouwindustrieën sterk afhankelijk zijn van grondwater, houdt de provincie actief toezicht op de zuurgraad en chemische samenstelling van het water. Toch had niemand de grondwatermicrobiologie systematisch bestudeerd.

Voor Emil Ruf, leek het uitvoeren van een dergelijk onderzoek "een laaghangend fruit" in 2015 toen hij begon aan zijn postdoctorale fellowship in microbiologie aan de Universiteit van Calgary. Hij wist niet dat deze ogenschijnlijk eenvoudige studie hem de komende zes jaar zou belasten.

De drukke diepten

Na het verzamelen van grondwater uit 95 putten in Alberta, begonnen Ruff en zijn collega's met basismicroscopie: ze kleurden microbiële cellen in grondwatermonsters met een nucleïnezuurkleurstof en gebruikten een fluorescentiemicroscoop om ze te tellen. Door de organische stof in de monsters radio-daterend te dateren en de diepten waarop ze waren verzameld te controleren, konden de onderzoekers de ouderdom van de grondwaterlagen die ze aan het tappen waren, identificeren.

Een patroon in de cijfers verbaasde hen. Gewoonlijk ontdekken wetenschappers bij onderzoeken van het sediment onder de zeebodem bijvoorbeeld dat het aantal microbiële cellen afneemt met de diepte: oudere, diepere monsters kunnen niet zoveel leven in stand houden omdat ze meer afgesneden zijn van de voedingsstoffen die door fotosynthetische planten worden gemaakt en algen aan de oppervlakte. Maar tot verbazing van het team van Ruff bevatten de oudere, diepere grondwateren meer cellen dan de zoetere wateren.

De onderzoekers begonnen toen met het identificeren van de microben in de monsters, met behulp van moleculaire hulpmiddelen om hun veelbetekenende merkergenen te herkennen. Veel van hen waren methanogene archaea - eenvoudige, eencellige microben die methaan produceren na consumptie van waterstof en koolstof die uit rotsen of in rottend organisch materiaal sijpelen. Ook waren er veel bacteriën aanwezig die zich voeden met het methaan of met mineralen in het water.

Wat echter niet logisch was, was dat veel van de bacteriën aeroben waren - microben die zuurstof nodig hebben om methaan en andere verbindingen te verteren. Hoe kunnen aeroben gedijen in grondwater dat geen zuurstof zou moeten hebben, aangezien fotosynthese onmogelijk is? Maar ook in de 200 meter diepe grondwatermonsters vonden chemische analyses veel opgeloste zuurstof.

Het was ongehoord. "We hebben het monster zeker genaaid", was de eerste reactie van Ruff.

Hij probeerde eerst aan te tonen dat de opgeloste zuurstof in de monsters het gevolg was van verkeerd gebruik. 'Het is alsof je Sherlock Holmes bent,' zei Ruff. “Je probeert bewijzen en aanwijzingen te vinden” om je aannames te weerleggen. Het gehalte aan opgeloste zuurstof leek echter consistent in honderden monsters. Mishandeling kon het niet verklaren.

Als de opgeloste zuurstof niet afkomstig was van verontreiniging, waar kwam het dan vandaan? Ruff realiseerde zich dat hij op de rand van iets groots stond, ook al druiste het maken van controversiële beweringen in tegen zijn aard. Veel van zijn medeauteurs hadden ook twijfels: de bevinding dreigde het fundament van ons begrip van ondergrondse ecosystemen te vernietigen.

Zuurstof maken voor iedereen

In theorie zou de opgeloste zuurstof in het grondwater afkomstig kunnen zijn van planten, microben of van geologische processen. Om het antwoord te vinden, wendden de onderzoekers zich tot massaspectrometrie, een techniek die de massa van atomaire isotopen kan meten. Typisch zijn zuurstofatomen uit geologische bronnen zwaarder dan zuurstof uit biologische bronnen. De zuurstof in het grondwater was licht, wat impliceerde dat het afkomstig moest zijn van een levend wezen. De meest plausibele kandidaten waren microben.

De onderzoekers hebben de genomen van de hele gemeenschap van microben in het grondwater gesequenced en de biochemische routes en reacties opgespoord die waarschijnlijk zuurstof produceren. De antwoorden wezen steeds weer op een ontdekking van meer dan tien jaar geleden door Marc Strous van de Universiteit van Calgary, de senior auteur van de nieuwe studie en het hoofd van het laboratorium waar Ruff werkte.

Toen hij eind jaren 2000 in een laboratorium in Nederland werkte, merkte Strous dat een soort methaanvoedende bacterie die vaak wordt aangetroffen in sedimenten van meren en afvalwaterslib een vreemde manier van leven had. In plaats van zuurstof uit de omgeving op te nemen zoals andere aëroben, creëerde de bacterie zijn eigen zuurstof door enzymen te gebruiken om de oplosbare verbindingen genaamd nitrieten af ​​te breken (die een chemische groep bevatten die bestaat uit stikstof en twee zuurstofatomen). De bacteriën gebruikten de zelf gegenereerde zuurstof om methaan te splitsen voor energie.

Wanneer microben verbindingen op deze manier afbreken, wordt dit dismutatie genoemd. Tot nu toe dacht men dat het zeldzaam in de natuur was als methode om zuurstof te genereren. Recente laboratoriumexperimenten het betrekken van kunstmatige microbe-gemeenschappen onthulde echter dat de zuurstof geproduceerd door dismutatie uit de cellen en in het omringende medium kan lekken ten voordele van andere zuurstofafhankelijke organismen, in een soort symbiotisch proces. Ruff denkt dat dit de reden zou kunnen zijn dat hele gemeenschappen van aerobe microben in het grondwater kunnen gedijen, en mogelijk ook in de omliggende bodems.

Chemie voor het leven elders

De bevinding vult een cruciale leemte in ons begrip van hoe de enorme ondergrondse biosfeer is geëvolueerd en hoe dismutatie bijdraagt ​​aan de cyclus van verbindingen die door de mondiale omgeving bewegen. Alleen al de mogelijkheid dat er zuurstof in het grondwater aanwezig is, "verandert ons begrip van het verleden, het heden en de toekomst van de ondergrond", zegt Ruff, die nu assistent-wetenschapper is bij het Marine Biological Laboratory in Woods Hole, Massachusetts.

Begrijpen wat er in de ondergrond van onze planeet leeft, is ook "cruciaal om die kennis elders te vertalen", zei Lollar. De bodem van Mars bevat bijvoorbeeld perchloraatverbindingen die sommige aardse microben kunnen omzetten in chloride en zuurstof. Jupiters maan Europa heeft een diepe, bevroren oceaan; zonlicht dringt er misschien niet door, maar mogelijk kan daar zuurstof worden geproduceerd door microbiële dismutatie in plaats van door fotosynthese. Wetenschappers hebben pluimen waterdamp waargenomen die uit het oppervlak van Enceladus, een van de manen van Saturnus, schieten. De pluimen zijn waarschijnlijk afkomstig uit een ondergrondse oceaan van vloeibaar water. Als we op een dag leven vinden op andere werelden zoals die, kan het zijn dat we dismutatiepaden gebruiken om te overleven.

Ongeacht hoe belangrijk dismutatie elders in het universum blijkt te zijn, Lloyd is verbaasd over hoeveel de nieuwe bevindingen de vooropgezette ideeën over de behoeften van het leven tarten, en door de wetenschappelijke onwetendheid die ze onthullen over een van de grootste biosferen van de planeet. "Het is alsof we al die tijd ei op ons gezicht hebben gehad," zei ze.

Noot van de redactie: Ruff heeft financiering gekregen voor een vroege loopbaanonderzoeker van de Simons Foundation, die ook ondersteunt Quanta als een redactioneel onafhankelijk wetenschappelijk nieuwsmagazine. Financieringsbeslissingen hebben geen invloed op de redactionele berichtgeving.

Correctie: 17 juli 2023
In een eerdere versie van dit artikel werd ten onrechte beschreven dat nitrieten drie zuurstofatomen bevatten in plaats van twee.