Sekretne życie mikrobów

W samym sercu Ameryki Północnej znajduje się portal do głębokich zakamarków w skalnym wnętrzu Ziemi. Krater – bruzdowata jama o szerokości około 800 metrów – schodzi, zwężając się, na głębokość mniej więcej 380 metrów, odsłaniając marmurkową mozaikę młodszych i starszych skał: szare pasma bazaltu, mleczne żyłki kwarcu i migotliwe konstelacje złota. Pod dnem jamy znajduje się około 600 kilometrów tuneli wykutych w litej skale, na głębokości sięgającej blisko 2,5 kilometra. W tym miejscu, w Lead w Dakocie Południowej, przez 126 lat znajdowała się najgłębsza i najwydajniejsza kopalnia złota na kontynencie, Homestake.

Newsletter

Aktualności „Pisma”

W każdy piątek polecimy Ci jeden tekst, który warto przeczytać w weekend.

Zapisz się

W 2006 roku firma Barrick Gold Corporation podarowała kopalnię stanowi Dakota Południowa, ten zaś zamienił ją w największe podziemne laboratorium w Stanach Zjednoczonych: Sanford Underground Research Facility (Podziemny Ośrodek Badawczy Sanforda). Chociaż najgłębsze tunele zostały zalane po tym, jak zaprzestano wydobycia, wciąż można zejść na głębokość około półtora kilometra pod powierzchnię Ziemi. Z laboratorium korzystają przede wszystkim fizycy, którzy przeprowadzają eksperymenty wrażliwe na promieniowanie kosmiczne, jednak do podziemnego labiryntu zapuszcza się też kilku biologów, zazwyczaj w poszukiwaniu najwilgotniejszych i najbrudniejszych zaułków – miejsc, w których tajemnicze żyjątka formują metale i przetwarzają skały.

W przenikliwie zimny, grudniowy poranek udałem się wraz z trojgiem młodych naukowców i grupą pracowników Sanforda do „klatki” – windy z gołego metalu, która miała zawieźć nas półtora kilometra w głąb skorupy ziemskiej. Mieliśmy na sobie neonowe kamizelki, buciory z metalowym czubem i kaski. Do pasków przypięte były specjalne maski, które w przypadku pożaru lub wybuchu miały chronić nas przed czadem. Klatka opadała szybko i zaskakująco gładko. Nasz śmiech czy pojedyncze słowa były zagłuszane przez szum rozwijających się kabli i świst powietrza. Po około 10 minutach kontrolowanego spadania dotarliśmy na dno.

Naszymi przewodnikami było dwóch dawnych górników. Skierowali nas do paru niewielkich, połączonych ze sobą wagoników, które powiodły nas wąskim tunelem. Wystarczyło 20 minut, byśmy zamienili stosunkowo chłodny i dobrze wentylowany obszar w pobliżu „klatki” na coraz gorętszy i bardziej parny korytarz. Podczas gdy na powierzchni było śnieżnie i mroźnie, półtora kilometra niżej panowała temperatura około 30 stopni Celsjusza i niemal 100-procentowa wilgotność. Otaczające nas skały zdawały się pulsować żarem, a powietrze było gęste i duszące: w nozdrza wdzierał się zapach siarki. Można było odnieść wrażenie, że dotarliśmy do przedsionka piekieł.

Przeczytaj też:Każdy chce być stworzycielem

Wagoniki stanęły. Wysiedliśmy i podeszliśmy do wystającego ze skały wielkiego, plastikowego kranu. Ze ściany ściekała perlista woda, tworząc strumyczki i kałuże. To z nich unosił się zapach siarkowodoru
– źródło fetoru panującego w komorze. Przyklęknąwszy, zorientowałem się, że w wodzie jest pełno włóknistej, białej substancji, przypominającej ścięte białko jajka w koszulce. Geobiolożka Caitlin Casar wyjaśniła, że te białe nici to mikroby rodzajuThiothrix, które łączą się w długie włókna, a w swoich komórkach zatrzymują siarkę, to ona nadawała im ten upiorny odcień. Chociaż byliśmy głęboko wewnątrz skorupy ziemskiej – w miejscu, gdzie bez interwencji człowieka zupełnie nie byłoby światła, a tlenu tyle, co kot napłakał – ze skał dosłownie tryskało życie. To konkretne, wyjątkowe ekologicznie miejsce doczekało się przydomka Thiothrix Falls (Wodospad Thiothrix).

Na innym poziomie kopalni przedarliśmy się z chlupotem przez sięgające nad kolana wodę i błoto, stąpając ostrożnie, by nie poślizgnąć się na zatopionych torach i pojedynczych kamieniach. Gdzieniegdzie podłoże i ściany zdobiły delikatne, białe kryształy – najprawdopodobniej gips lub kalcyt – lśniące niczym gwiazdy. W końcu dotarliśmy do kolejnego wielkiego kranu, wyrastającego z powierzchni wyglądającej jak mokra glina, która przybierała barwę od bladołososiowej po ceglastoczerwoną. Jak wyjaśniła Casar, to również było dzieło mikrobów: w tym przypadku rodzajuGallionella, który żyje w wodach bogatych w żelazo i wytwarza poskręcane, metalowe ostrosłupy. Na prośbę Casar napełniłem dzbanek wodą, przełożyłem łyżką bogate w drobnoustroje błoto do plastikowych probówek i umieściłem je w lodówce turystycznej, gdzie miały poczekać na analizę.

Casar i jej koledzy od wielu lat odwiedzają dawną kopalnię Homestake przynajmniej dwa razy w roku. Za każdym razem natrafiają na tajemnicze mikroby, których nigdy nie udało się wyhodować w laboratorium, oraz nienazwane jeszcze gatunki. Ich badania są częścią współpracy naukowej nadzorowanej między innymi przez Magdalenę Osburn, profesorkę Uniwersytetu Northwestern, wybitną przedstawicielkę stosunkowo młodej dziedziny, jaką jest geomikrobiologia.

Większość drobnoustrojów naszej planety, a nawet ponad 90 procent z nich, żyje głęboko pod ziemią. Są pradawne i powolne, rzadko się rozmnażają i prawdopodobnie żyją przez miliony lat.

Naukowcy i naukowczynie jak Osburn wykazali, że wbrew panującemu od dawna przekonaniu wnętrze Ziemi nie jest jałowe. W rzeczywistości istnieje możliwość, że większość drobnoustrojów naszej planety, a nawet ponad 90 procent z nich, żyje głęboko pod ziemią. Zazwyczaj te podziemne mikroby znacznie różnią się od swoich krewniaków z powierzchni. Są pradawne i powolne, rzadko się rozmnażają i prawdopodobnie żyją przez miliony lat. Często pozyskują energię w niezwykły sposób, wdychając skały zamiast tlenu. Wydaje się, że są w stanie przetrwać kataklizmy geologiczne, zabójcze dla większości stworzeń. Podobnie jak wiele drobnoustrojów zamieszkujących oceany i atmosferę, wyjątkowe mikroby ze skorupy Ziemi nie tylko egzystują w swoich środowiskach, ale też je przeistaczają. Żyjąc pod ziemią, ryją szerokie jaskinie, wytwarzają minerały i metale szlachetne oraz regulują globalny cykl przemiany węgla i składników odżywczych. Możliwe nawet, że to właśnie one pomogły zbudować kontynenty, dosłownie przygotowując grunt pod całą resztę ziemskiego życia.

Ponad 90 procent

wszystkich mikrobów może żyć pod powierzchnią ziemi.

Podobnie jak w przypadku wielu innych aspektów najwcześniejszej historii Ziemi, nie jest jasne, gdzie i kiedy po raz pierwszy pojawiło się życie. W którymś momencie, niezbyt długo po narodzinach naszej planety, w jakiejś ciepłej, wilgotnej jamie, w sprzyjającym chemicznie środowisku i przy odpowiednim przepływie swobodnej energii – w gorącym źródle, kraterze uderzeniowym czy kominie hydrotermalnym na dnie oceanu – elementy Ziemi przeistoczyły się w pierwsze samoreplikujące się jednostki, z których wyewoluowały komórki. Dowody pochodzące ze zbioru wszystkich skamieniałości i analizy chemiczne najstarszych kiedykolwiek odkrytych skał wskazują, że życie mikrobowe istniało co najmniej 3,5 miliarda lat temu, a możliwe, że nawet 
4,2 miliarda lat temu. Właśnie te szczególne drobnoustroje, zamieszkujące dziś ziemskie głębiny, mogą najbardziej przypominać niektóre z najdawniejszych organizmów jednokomórkowych. Gdyby zebrać je razem, podziemne mikroby odpowiadałyby szacunkowo za 
10 do 20 procent biomasy, czyli całej żywej materii na Ziemi. Jednak do połowy XX wieku większość naukowców wątpiła, by poniżej kilku metrów w głąb Ziemi prawdopodobna była jakakolwiek forma życia.

Najstarsze doniesienia naukowe na temat życia podziemnego sięgają XVII wieku. W 1684 roku, podczas podróży przez środkową Słowenię, przyrodnik Janez Vajkard Valvasor zbadał pogłoski o smoku żyjącym ponoć pod źródłem w okolicy Lublany. Tamtejsi mieszkańcy wierzyli, że to on, z każdym swoim ruchem, wypycha wodę na powierzchnię. Po ciężkich ulewach znajdowali czasami smoczątka wyrzucone na pobliskie skały: smukłe, wijące się, o tępo zakończonych pyszczkach, podgardlach z kryzą i niemalże przezroczystej, różowej skórze. Musiało minąć 100 lat, by przyrodnicy oficjalnie zidentyfikowali je jako salamandrę wodną, żyjącą wyłącznie pod ziemią, w wodach krążących w wapiennych jaskiniach, znaną dziś jako odmieniec jaskiniowy.

Przeczytaj też:Czego można dowiedzieć się, badając szczątki sprzed wieków?

Na początku XX wieku naukowcy zaczęli dostrzegać przebłyski tego, jak licznie występuje w rzeczywistości życie głęboko pod ziemią. Około 1910 roku niemieccy mikrobiolodzy, próbując określić źródło metanu w kopalniach, wyizolowali bakterie z próbek węgla zebranych jakiś kilometr pod powierzchnią Ziemi. W 1911 roku rosyjski naukowiec Wasilij Leonidowicz Omelianski odkrył żywe bakterie zakonserwowane w wiecznej zmarzlinie obok wydobytego mamuta. Niewiele później Charles B. Lipman, mikrobiolog gleby na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, ogłosił, że przywrócił do życia pradawne przetrwalniki bakterii, uwięzione w kawałkach węgla z kopalni w Pensylwanii.

Choć efekty tych wczesnych badań były obiecujące, wielu naukowców pozostało sceptycznych ze względu na możliwość zanieczyszczenia próbek drobnoustrojami z powierzchni Ziemi. Jednak w kolejnych dekadach badacze wciąż znajdowali mikroby w skałach i wodzie pozyskanych z kopalń i odwiertów na całym świecie. W latach 80. podejście zaczęło się zmieniać. Badania warstw wodonośnych wyraźnie wskazywały na to, że bakterie zasiedlają wody gruntowe nawet setki metrów poniżej powierzchni Ziemi. Dodatkowo opracowano bardziej rygorystyczne metody zapobiegania skażeniu próbek mikrobami naziemnymi, takie jak dezynfekcja elementów wierteł i śledzenie przepływu wód w skorupie ziemskiej. Dzięki temu naukowcy mogli mieć pewność, że nie pobierają materiału z miejsc, do których przenikają wody powierzchniowe.

Wyniki tych badań potwierdziły wreszcie, że pierwsi orędownicy podziemnej biosfery nie tylko się nie mylili, ale nawet byli zbyt zachowawczy. Gdziekolwiek naukowcy nie zajrzeli – w skład skorupy kontynentów, pod dno morza, poniżej lodów Antarktyki – znajdowali wyjątkowe zbiorowiska mikrobów, zawierające tysiące niezidentyfikowanych gatunków. W niektórych jamach skorupy wyglądało na to, że na jeden centymetr sześcienny przypadał jeden mikroorganizm, co odpowiadałoby krajowi, w którym jeden mieszkaniec przypada na 650 kilometrów. Podziemne światy były faktem, ale ich mieszkańcy byli o wiele mniejsi i dziwniejsi, niż ktokolwiek sobie wyobrażał.

W latach 90. Thomas Gold, astrofizyk z Uniwersytetu Cornella, opublikował serię prowokacyjnych twierdzeń odnośnie do mikrobowej dziczy z wnętrza Ziemi. Wysunął tezę, że …