Wissenschaftler des Deep Carbon Observatory (DCO) verändern unser Verständnis des Lebens tief in der Erde und vielleicht auch auf anderen Welten. Ihre Entdeckungen deuten darauf hin, dass im Untergrund anderer Planeten und Monde reichlich Leben existieren könnte, selbst wenn die Temperaturen extrem sind und Energie und Nährstoffe knapp sind. Sie haben auch entdeckt, dass das gesamte in der tiefen Erde verborgene Leben hunderte Male mehr Kohlenstoff enthält als die gesamte Menschheit und dass die tiefe Biosphäre fast doppelt so groß ist wie das Volumen aller Ozeane der Erde.
"Bestehende Modelle des Kohlenstoffkreislaufs ... sind noch in Arbeit." - Dr. Mark Lever, Lenkungsausschuss der DCO Deep Life Community. “
Das DCO ist keine Einrichtung, sondern eine Gruppe von über 1.000 Wissenschaftlern aus 52 Ländern, darunter Geologen, Chemiker, Physiker und Biologen. Sie nähern sich dem Ende eines 10-jährigen Projekts, um zu untersuchen, wie sich der Deep Carbon Cycle auf die Erde auswirkt. 90% des Kohlenstoffs der Erde befindet sich im Planeten, und der DCO ist unser erster Versuch, ihn wirklich zu verstehen.
Der DCO ist ein globales Unterfangen. Wissenschaftlerteams haben einige der tiefsten Minen der Erde erkundet, tiefer als je zuvor in den Meeresboden gebohrt und Vulkane untersucht, um den tiefen Kohlenstoffkreislauf der Erde zu verstehen. Und sie sind noch nicht ganz fertig.
Sie haben eine seltsame unterirdische Welt entdeckt, die zwischen 245 und 385 Mal so viel Kohlenstoff enthält wie die gesamte Menschheit. Laut DCO leben 70% der Bakterien und Archaeen der Erde unter der Erde und befinden sich im tiefsten bekannten Untergrund. Und einige von ihnen sind Zombies.
Einige von ihnen existieren in Umgebungen, die extrem wenig Energie und Nährstoffe enthalten. Sie wachsen kaum und geben ihre verfügbaren Ressourcen aus, um sich selbst zu erhalten, anstatt sich zu reproduzieren. Diese „Zombie“ -Bakterien können Millionen von Jahren ohne Fortpflanzung leben, eine erstaunliche Entdeckung mit Auswirkungen auf die Geschichte des Lebens auf der Erde und die Existenz des Lebens auf anderen Welten.
Für einen tieferen Einblick in die Arbeit des DCO sprach ich mit Dr. Mark Lever, Geomikrobiologe und Professor an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich. Dr. Lever ist auch Mitglied des Deep Life Community Steering Committee des DCO und gibt uns mehr Einblick in die Arbeit des DCO, in die Zukunft und in die Auswirkungen auf die Suche nach dem Leben.
Was folgt, sind Auszüge aus einem E-Mail-Interview mit Dr. Lever über den Deep Carbon Cycle und das Leben tief in der Erde.
UT: Ich weiß, dass Wissenschaftler aus gutem Grund nicht gerne zu viel spekulieren. Das Space Magazine ist in erster Linie eine weltraumwissenschaftliche Website, und ich weiß, dass sich unsere Leser fragen werden, wie sich dieses Wissen auf die Suche nach Leben in unserem Sonnensystem auswirkt. Mars? Eismonde? Andere Welten?
ML: „Es wurde viel darüber gesprochen, die grundlegenden Erkenntnisse aus der Untersuchung des tiefen Kohlenstoffkreislaufs der Erde zu nutzen, um die Bewohnbarkeit und den Kohlenstoffkreislauf auf anderen Planeten und Planetenmonden in unserem Sonnensystem zu untersuchen. Ähnlich wie der Planet Erde, der in seinem unterirdischen Gestein und in seinen Sedimentumgebungen eine reiche und riesige Biosphäre aufweist, können diese Planeten und ihre Monde eine fruchtbare und vielfältige Biosphäre unter ihren häufig unbewohnbaren Oberflächen aufweisen. “
"... unser Planet könnte sich als ... das perfekte Testfeld für Technologien herausstellen, die die Entdeckung und detaillierte Untersuchung des Lebens an anderer Stelle in unserem Sonnensystem und darüber hinaus ermöglichen." - Dr. Mark Lever.
„Viele der Technologien zur Erforschung des tiefen Lebens auf der Erde, einschließlich der Bohrtechnologien, die den Zugang zu kontaminationsfreien Proben aus Kilometern unter dem Meeresboden oder aus tiefen Eisformationen der Antarktis ermöglichen, sowie die hoch entwickelten automatisierten Überwachungsinstrumente und -instrumente, die entwickelt wurden wird für die Erforschung dieser außerirdischen Systeme von entscheidender Bedeutung sein. “
"Unser Planet könnte sich als - zum Teil vom DCO gesponsert - als perfektes Testgelände für Technologien herausstellen, die die Entdeckung und detaillierte Untersuchung des Lebens an anderer Stelle in unserem Sonnensystem und darüber hinaus ermöglichen."
„Ich denke auch, dass die wissenschaftlichen Erkenntnisse für das Finden und Entdecken von Leben auf anderen Planeten relevant sind. Einer der Forschungsschwerpunkte des Deep Carbon Observatory ist die Ermittlung der Grenzen des Lebens - und des biologischen Kohlenstoffkreislaufs - auf der Erde. Welche Variablen bestimmen, wo Leben auf der Erde existieren kann oder nicht? Everett Shock hat den Begriff „biotischer Rand“ treffend geprägt, um diese imaginäre Grenze unter Umweltbedingungen zu beschreiben, die das Bewohnbare vom Unbewohnbaren trennt. “
„Das Erdinnere ist ein sehr vielversprechender Ort, um diesen biotischen Rand zu erkunden, da die Bedingungen in Bezug auf Temperatur, pH-Wert, Druck, Porenraum, Nährstoffkonzentrationen und Energieverfügbarkeit dort sehr unterschiedlich sind. Mehrere (DCO) Expeditionen haben es geschafft, in tiefe Sediment- und Gesteinsformationen zu bohren und zu dokumentieren, wie die Biomasse und die Lebensfülle allmählich abnehmen, bis das Leben nahe oder unter der Nachweisgrenze liegt. “
"Wenn das Leben auf außerirdischen Körpern dieselbe oder eine ähnliche Biochemie wie das Leben auf der Erde aufweist, ist ein Verständnis dessen, was die Verteilung des Lebens auf der Erde steuert und begrenzt, wahrscheinlich für diese anderen außerirdischen Körper relevant."
„In Bezug auf Planetenkörper, die wir genauer untersucht haben, beträgt unsere aktuelle Stichprobengröße 1. Inwieweit unsere Interpretationen korrekt oder sogar universell sind, kann nur durch die Untersuchung zusätzlicher Planetenkörper bestimmt werden, die über den derzeit lebenden hinausgehen auf."
UT: Wird dieses neue Wissen über den Kohlenstoffkreislauf der Erde und die tiefe Biosphäre einen Einfluss auf unser Verständnis des Klimawandels haben, nicht nur jetzt, sondern auch in der tieferen Vergangenheit?
ML: „Das Ziel des Deep Carbon Cycle war es, das grundlegende Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs seit der Entstehung der Erde zu verbessern. Der größte Teil dieser Forschung ist von grundlegender Bedeutung für aktuelle und vergangene Klimaveränderungen, da sie zu einem besseren Verständnis der Faktoren beiträgt, die den Kohlenstoffaustausch zwischen der „Oberflächenwelt“ - der Atmosphäre, der Hydrosphäre und der äußersten Schicht der Lithosphäre - und der "Tiefer Untergrund", dh der größte Teil des Planeten, der zwischen einigen Metern und Tausenden von Kilometern unter der äußersten Schicht der Lithosphäre liegt. "
"Selbst die geringsten Veränderungen des Kohlenstoffaustauschs zwischen der Oberflächen- und der Untergrundwelt hätten dramatische Folgen für das Erdklima - zu jeder Zeit im Laufe seiner Geschichte." - Dr. Mark Lever.
„Das Verständnis dieses Austauschs ist äußerst wichtig für das Verständnis vergangener, zeitgenössischer und zukünftiger Klimaveränderungen, da die Menge an Kohlenstoff, die in der„ Oberflächenwelt “vorhanden ist, wahrscheinlich nur ein Zehntausendstel der Menge an Kohlenstoff beträgt, die in unterirdischen Sedimenten weltweit vorhanden ist. und vielleicht nur ein Hundertmillionstel der Menge an Kohlenstoff, die in der Erdkruste und im oberen Erdmantel vorhanden ist. “
"Selbst die geringsten Veränderungen des Kohlenstoffaustauschs zwischen der Oberflächen- und der Untergrundwelt hätten dramatische Folgen für das Erdklima - zu jeder Zeit im Laufe seiner Geschichte."
UT: Könnte die tiefe Biosphäre eine Rolle bei der Erholung der Erde von Aussterben wie dem Aussterben der Perm-Trias gespielt haben? Das ist eine große Frage, aber gibt es eine Möglichkeit, die tiefe Biosphäre in der Vergangenheit zu verstehen und wie sie sich im Laufe der Zeit verändert hat?
ML: „Der direkteste Zusammenhang, den ich mit dem Aussterben der Perm-Trias sehen kann, geht in die andere Richtung: Es gibt Hinweise darauf, dass ungefähr zur gleichen Zeit, unabhängig davon, ob es sich um große Meteoriteneinschläge handelt oder nicht, die Freisetzung von Methan aus dem Aussterben zugenommen hat Methanhydrate, dh „Methaneis“, das sich bei niedriger Temperatur und unter hohem Druck im Meeresboden bildet. “
„Das meiste Methan und Methanhydrat, das im Meeresboden vorhanden ist, wird wahrscheinlich von Mikroorganismen produziert, die Meter bis Hunderte von Metern unter dem Meeresboden leben. Die plötzliche Freisetzung großer Mengen des potenten Treibhausgases Methan, das im Großen und Ganzen von Mikroorganismen der tiefen Biosphäre produziert wurde, könnte zum Aussterben der Perm-Trias beigetragen haben. “
„In den Ozeanen gibt es Mikroorganismen, die Methan essen und Sauerstoff atmen. Wenn die Menge an gelöstem Methan zunahm, haben diese Mikroorganismen möglicherweise den gesamten gelösten Sauerstoff in Teilen der Ozeane verbraucht und zum Aussterben vieler Meerestiere beigetragen, die zum Atmen und Überleben gelösten Sauerstoff benötigen. “
UT: Ich betrachte die tiefe Biosphäre immer wieder als eine Art „Gewölbe“ für irdisches genetisches Material, als eine Art versehentliche Aufbewahrung. Glauben Sie, dass diese Idee zutreffend ist?
ML: "Ich mag das" Gewölbe "-Konzept sehr und halte es für sinnvoll, weil bestimmte Umgebungstypen des Erdinneren, z. ultramafische Gesteine, Basaltkruste, sind seit dem Ursprung des Lebens vor ungefähr vier Milliarden Jahren wahrscheinlich ziemlich ähnlich geblieben. “
"Die Idee des mikrobiellen" Gewölbes "gilt wahrscheinlich hauptsächlich für lebende Organismen, die Mechanismen zur Reparatur ihrer genetischen Information haben, d. H. DNA und RNA."
"Es ist unwahrscheinlich, dass wir jemals intakte Gensequenzen aus den frühesten lebenden Organismen der Erde in der tiefen Biosphäre gewinnen können." - Dr. Mark Lever, DCO.
„DNA und RNA sind für viele Mikroorganismen ausgezeichnete Energie- und Nährstoffquellen und werden von diesen schnell abgebaut, wenn sie an die Umwelt abgegeben werden. Sie werden auch durch spontane chemische Reaktionen zerstört - die sogar in lebenden Zellen auftreten. Lebende Zellen können die meisten dieser spontanen Mutationen erkennen, reparieren und dadurch intakte genetische Informationen erhalten, die es ihnen ermöglichen, am Leben zu bleiben. DNA oder RNA von toten Organismen wird jedoch nicht repariert. “
„Kleine Mengen relativ intakter DNA- oder RNA-Sequenzen können in unterirdischen Lebensräumen über Zeiträume von Tausenden von Jahren oder manchmal einigen Millionen Jahren erhalten bleiben, aber möglicherweise nicht darüber hinaus. Es ist unwahrscheinlich, dass wir jemals intakte Gensequenzen aus den frühesten lebenden Organismen der Erde in der tiefen Biosphäre wiederherstellen können. “
UT: Der DCO hat einige erstaunliche Entdeckungen gemacht. Was kommt als nächstes für das DCO und was wird Ihrer Meinung nach die Richtung für die zukünftige Erforschung der tiefen Biosphäre sein?
ML: „Die Förderperiode des DCO durch die Alfred P. Sloan Foundation läuft im Herbst 2019 aus. Im kommenden Oktober wird an der Nationalen Akademie der Wissenschaften in Washington DC eine große Abschlusskonferenz abgehalten, in der die 10 Jahre des Bestehens des DCO stattfinden wird gefeiert und zukünftige Richtungen für tiefgreifende kohlenstoffbezogene Wissenschaft werden erforscht. “
„Unter DCO-Wissenschaftlern gibt es viele Diskussionen darüber, wie diese vielfältige, interdisziplinäre Gemeinschaft von Geophysikern, Geologen, Geochemikern und Mikrobiologen aufrechterhalten werden kann. Eine Veranstaltung, die uns immer wieder zusammenbringen wird, ist eine Gordon-Forschungskonferenz zum Thema „Deep Carbon Science“, die im Sommer 2018 zum ersten Mal stattfand und aufgrund ihres großen Erfolgs von nun an alle zwei Jahre stattfinden soll. ”
„Eine wichtige Richtung ist die Bedeutung von Erdbeben für die Unterstützung der tiefen Biosphäre. Erdbeben schaffen einen neuen Lebensraum für Mikroorganismen, indem sie die Erdkruste aufbrechen und es Mikroben ermöglichen, diese Brüche zu besiedeln und auf Gesteinsenergiequellen wie reduziertes Eisen zuzugreifen. Erdbeben pumpen auch tief bezogene Flüssigkeiten, die reich an mikrobiellen Energiesubstraten wie Wasserstoff oder Methan sind, aus dem unbewohnbaren Erdinneren in flachere, bewohnbare Zonen und können so dazu führen, dass sich tiefes Leben bei Boom- und Bustzyklen in seismisch aktiven Regionen vermehrt. ”
UT: Was ist Ihrer Meinung nach die aufregendste Entdeckung des DCO?
"... das Zeitfenster für grundlegende wissenschaftliche Entdeckungen in Bezug auf den Kohlenstoffkreislauf der Erde bleibt groß." - Dr. Mark Lever, DCO.
„Für mich ist das aufregendste Ergebnis vielleicht, dass der vulkanische CO2-Fluss in die Atmosphäre doppelt so hoch ist wie bisher angenommen. Dieser Befund - zusammen mit vielen anderen vom DCO - zeigt, wie bestehende Modelle des Kohlenstoffkreislaufs, insbesondere im Hinblick auf den Kohlenstoffaustausch zwischen der Oberflächen- und der Untergrundwelt, noch in Arbeit sind. Folglich bleibt das Zeitfenster für grundlegende wissenschaftliche Entdeckungen in Bezug auf den Kohlenstoffkreislauf der Erde groß. “
- Deep Carbon Observatory Website
- Website des Zentrums für Untersuchungen zur Biosphäre von dunkler Energie
- DCO-Pressemitteilung: Das Leben in der Tiefe der Erde beträgt 15 bis 23 Milliarden Tonnen Kohlenstoff - hunderte Male mehr als Menschen
