Από την ανακάλυψη της βιόσφαιρας του βαθέως υποθαλάσσιου πυθμένα στα μέσα της δεκαετίας του 1990, οι επιστήμονες μελέτησαν τις συνθήκες υπό τις οποίες ευδοκιμούν οι οργανισμοί σε αυτό το απομονωμένο και γενικά στερημένο τροφής περιβάλλον και αναρωτήθηκαν ποιες συνθήκες θέτουν όρια στην ύπαρξη ζωής. Το 2016, μια ομάδα διεθνών επιστημόνων ξεκίνησε στη θάλασσα με το ιαπωνικό επιστημονικό γεωτρύπανο Chikyu, για να μελετήσει το όριο θερμοκρασίας της βιόσφαιρας του βαθέως υποθαλάσσιου πυθμένα. Δείγματα ιζήματος συλλέχθηκαν από μια τρύπα που διέσχιζε τη γεωλογική ζώνη καταβύθισης της κοιλάδας Nankai στα ανοιχτά της Ιαπωνίας.

Σε αυτόν τον ιστότοπο, αυξάνεται η θερμοκρασία απότομα με βάθος να φτάνει τους 120 °C, μια θερμοκρασία που προτείνεται κοντά στο όριο ζωής, στα 1200 μέτρα κάτω από τον πυθμένα της θάλασσας. Προς έκπληξή τους, οι επιστήμονες βρήκαν μια πολύ μικρή, αλλά πολύ ενεργή μικροβιακή κοινότητα να ευδοκιμεί κάτω από αυτές τις βαθιές και ζεστές συνθήκες.

Οι επιστήμονες προσδιόρισαν τον αριθμό των κυττάρων στο ίζημα και μέτρησαν τον αριθμό τους μεταβολικούς ρυθμούς με εξαιρετικά ευαίσθητες μετρήσεις ραδιοϊχνηλάτης παραγωγής μεθανίου και αναγωγής θειικών αλάτων. Ανακάλυψαν ότι οι μεταβολικοί ρυθμοί ανά κύτταρο ήταν εξαιρετικά υψηλοί για τη βαθιά βιόσφαιρα. Νέα ευρήματα, που δημοσιεύτηκαν στις 25 Ιανουαρίου στο περιοδικό Επικοινωνίες για τη φύση, σχετικά με τα δείγματα που συλλέχθηκαν το 2016 ρίχνουν φως στις στρατηγικές επιβίωσης των οργανισμών που ζουν σε αυτό το σκληρό περιβάλλον.

«Προτείνουμε ότι οι οργανισμοί αναγκάζονται να διατηρήσουν έναν υψηλό μεταβολικό κύκλο, ο οποίος προσεγγίζει τη δραστηριότητα των μικροβίων που ζουν σε επιφανειακά ιζήματα και σε εργαστηριακές καλλιέργειες, για να παρέχουν την ενέργεια που απαιτείται για την αποκατάσταση της θερμικής βλάβης των κυττάρων», δήλωσε ο Felix Beulig από το Πανεπιστήμιο του Bayreuth. , ο οποίος είναι ο κύριος συγγραφέας της μελέτης. «Η ενέργεια που απαιτείται για την αποκατάσταση της θερμικής βλάβης στα κυτταρικά συστατικά αυξάνεται απότομα με τη θερμοκρασία και το μεγαλύτερο μέρος αυτής της ενέργειας είναι πιθανόν απαραίτητο για να εξουδετερώσει τη συνεχή μεταβολή των αμινοξέων και την απώλεια της πρωτεϊνικής λειτουργίας», δήλωσε η επικεφαλής της μελέτης, Tina Treude, καθηγήτρια του UCLA. θαλάσσια γεωμικροβιολογία.

Δεν είναι καθόλου ασήμαντο να ανιχνευθεί η μικροβιακή μεταβολική δραστηριότητα σε ιζήματα με λιγότερα από 500 κύτταρα ανά κυβικό εκατοστό ιζήματος, το οποίο είναι επτά τάξεις μεγέθους χαμηλότερο από το μέσο επιφανειακό ίζημα. «Δουλέψαμε κάτω από εξαιρετικά ελεγχόμενες, στείρες συνθήκες και πραγματοποιήσαμε μεγάλο αριθμό πειραμάτων ελέγχου ταυτόχρονα με τις επωάσεις των δειγμάτων», είπε ο Florian Schubert από το Γερμανικό Ερευνητικό Κέντρο Γεωεπιστημών, ο οποίος διεξήγαγε αυτές τις αναλύσεις ως μέρος του διδακτορικού του. σπουδές. «Επωάσαμε ακόμη και ίζημα αποστειρωμένο με υψηλή ακτινοβολία γάμμα, καθώς και υγρό από την τρύπα, για να ανιχνεύσουμε πιθανές μη βιολογικές αντιδράσεις ή μικροβιακή δραστηριότητα που προκαλείται από μόλυνση», είπε ο Jens Kallmeyer, ο οποίος είναι ο μέντορας του Florian Schubert.

Επειδή οι προσδιορισμοί του μεταβολικού ρυθμού διεξήχθησαν σε εργαστηριακές συνθήκες, παρέμενε κάποια αβεβαιότητα εάν τα μικρόβια θα έδειχναν την ίδια μεταβολική δραστηριότητα στο φυσικό τους περιβάλλον. Ως εκ τούτου, οι επιστήμονες συνέκριναν τους μετρούμενους ρυθμούς μείωσης των μεταβολικών θειικών με τον υπολογιζόμενο χρόνο εξάντλησης του διαλυμένου θειικού στο βαθύ ίζημα. «Δεδομένου ότι συγκρίνουμε δύο πολύ διαφορετικές μεθοδολογικές προσεγγίσεις που δρουν σε χρονικές κλίμακες ημερών έναντι εκατομμυρίων ετών, η συμφωνία μεταξύ του πειραματικού προσδιορισμού του ρυθμού και του υπολογισμένου χρόνου εξάντλησης είναι ευχάριστα καλή», δήλωσε ο Arthur Spivack από το Πανεπιστήμιο του Rhode Island.

Η υψηλή ανά κύτταρο δραστηριότητα των θειικών μειωτών και των μεθανογόνων στο βαθύτερο και θερμότερο ίζημα προφανώς τροφοδοτείται από υδρογόνο και οξικό άλας από το πόρο νερό του ιζήματος. «Το οξικό, το οποίο είναι ένα μικρό οργανικό μόριο που υπάρχει επίσης στο ξύδι, παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον ως πιθανή πηγή τροφής», δήλωσε η Βερένα Χέουερ από το MARUM στη Γερμανία, η οποία ήταν η επικεφαλής επιστήμονας της αποστολής. “Το οξικό άλας φτάνει σε συγκεντρώσεις άνω των 10 mmol ανά λίτρο στο πορώδες νερό του ιζήματος, το οποίο είναι εξαιρετικά υψηλό για τα θαλάσσια ιζήματα.”

Για τον Bo Barker Jørgensen από το Πανεπιστήμιο του Aarhus, ο οποίος είναι ένας από τους πρωτοπόρους της έρευνας της βαθιάς βιόσφαιρας, η ανίχνευση υψηλών ρυθμών ειδικά για τα κύτταρα στη βαθιά βιόσφαιρα είναι μια συναρπαστική ανακάλυψη. «Πάντα ανακαλύπταμε ότι τα μικρόβια στη βαθιά βιόσφαιρα είναι μια εξαιρετικά υποτονική κοινότητα που σιγά-σιγά τσιμπολογάει τα τελευταία υπολείμματα θαμμένης οργανικής ύλης ηλικίας εκατομμυρίων ετών. Αλλά η βαθιά βιόσφαιρα είναι γεμάτη εκπλήξεις. Για να βρεις τη ζωή να ευδοκιμεί με υψηλούς μεταβολικούς ρυθμούς σε αυτές τις υψηλές θερμοκρασίες στον βαθύ βυθό τρέφει τη φαντασία μας για το πώς η ζωή θα μπορούσε να εξελιχθεί ή να επιβιώσει σε παρόμοια περιβάλλοντα σε πλανητικά σώματα πέρα ​​από τη Γη».

Ο Φούμιο Ιναγκάκι και ο Γιούκι Μορόνο από το JAMSTEC στην Ιαπωνία ήταν οι άλλοι δύο επικεφαλής επιστήμονες της αποστολής και υπεύθυνοι για την ανίχνευση κυττάρων στην ίζημα. Όταν ρωτήθηκαν τι πιστεύουν για το γεγονός ότι η αποστολή δεν εντόπισε το ανώτερο όριο θερμοκρασίας της βαθιάς βιόσφαιρας, και οι δύο είπαν, “Πρέπει να πάμε πίσω και να τρυπήσουμε βαθύτερα. Τα τελικά όρια του βιόσφαιρα μέσα στη Γη παραμένουν άγνωστα. Όπως φαίνεται από αυτό το έργο, το όριο βρίσκεται κάπου στον ωκεάνιο φλοιό κάτω από τα ιζήματα. Θα εξερευνηθεί στο μέλλον μέσω επιστημονικών γεωτρήσεων ωκεανών».