Zdobywcy podziemi

Z każdym podmuchem zimnego, przenikliwego wiatru, hulającego po pustej antarktycznej równinie, nosy i uszy naukowców drętwiały coraz bardziej. Jednak żaden z nich zwracał na to uwagi. Oto zbliżał się przełomowy moment ekspedycji. Zbili się w gromadkę i z napięciem wpatrywali w czarny punkt dobrze widoczny na białym lodzie. Był to wylot odwiertu pracowicie drążonego przez kilka dób. Teraz z tej dziury ostrożnie wyciągali metalową linkę, mając nadzieję, że na jej końcu ujrzą metrowej długości cylinder. Jeszcze dziesięć metrów, pięć, jeden… Z otworu wyłonił się walcowaty pojemnik. Dwaj mężczyźni, ubrani w sterylną odzież, chwycili go, oczyścili z lodu, a potem odwiązali od linki. – Jest zamknięty?! – zawołał operator wyciągarki. – Tak! – odkrzyknął John Priscu, mikrobiolog z Montana State University w Bozeman w USA. Cylinder spoczywał w jego dłoniach chronionych grubymi rękawicami – w środku znajdowała się woda z Jeziora Whillansa, które leżało 800 m pod ich nogami, odizolowane od świata taką właśnie warstwą lodu.

Naukowcy mogli być z siebie dumni. Pierwsi na świecie wydobyli na powierzchnię próbkę wody z jednego z ponad 400 podlodowych jezior na Antarktydzie. Priscu objął cylinder niczym niemowlę – pewnie, lecz delikatnie – a potem szybko zaniósł do laboratorium terenowego urządzonego w blaszanym kontenerze, pochodzącym z odległej o prawie tysiąc kilometrów bazy polarnej McMurdo. Wielkie śnieżne traktory ciągnęły kontener wraz z resztą sprzętu przez ponad dwa tygodnie. Był koniec stycznia 2013 r., a cały zespół złożony z ponad 20 ludzi, którymi kierował Priscu, znajdował się w odległości jedynie 640 km od południowego bieguna Ziemi. Ekspedycja zorganizowana została w ramach projektu badawczego o nazwie WISSARD (skrót od ang. Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling), a jego celem było poszukiwanie żywych organizmów zdolnych do przetrwania w ekstremalnych warunkach pod grubym lodem Antarktydy. Póki odwiert nie zamarzł, ekipie udało się pobrać około 30 l wody oraz kilka próbek osadów z dna jeziora, które okazało się dość płytkie – jego głębokość nie przekraczała 2 m.

Zanim Priscu przyjechał na Antarktydę, przez sześć lat testował różne sposoby dobrania się do podlodowego świata. Próby zaczął w tym samym roku, w którym Helen Fricker, glacjolożka ze Scripps Institution of Oceanography, dzięki obserwacjom satelitarnym odkryła Jezioro Whillansa, a także położone w odległości około 150 km od niego większe i głębsze Jezioro Mercera. W końcu zdecydował się na drążenie lądolodu przy użyciu gorącej wody. Przed wtłoczeniem do odwiertu przepuszczano ją przez specjalne filtry i sterylizowano, podobnie jak cały sprzęt wiertniczy, za pomocą promieniowania ultrafioletowego oraz nadtlenku wodoru. – Poszukiwanie życia głęboko pod powierzchnią lodu jest wielkim wyzwaniem. Reguła pozostaje zawsze ta sama: musisz zachować idealną sterylność na każdym etapie badań, inaczej twoje wysiłki pójdą na marne, a co gorsza – skazisz ekosystem odizolowany od milionów lat – podkreśla Priscu.

W oparach metanu

Projekty takie jak WISSARD dają plon przez wiele lat. Zaczęło się już latem 2014 r. Półtora roku po powrocie z Antarktydy naukowcy poinformowali na łamach „Nature”, że w każdym mililitrze wody jeziornej doliczono się 130 tys. komórek reprezentujących aż 3931 gatunków bakterii i archeowców (głównie tych drugich), co ustalono na podstawie sekwencjonowania DNA. Z kolejnych analiz wynikało, że ekosystem Jeziora Whillansa doskonale radzi sobie bez energii słonecznej od co najmniej 120 tys. lat, a być może nawet dziesiątki razy dłużej. Mikrobiologom udało się wyhodować około tuzina gatunków tych podlodowych jednokomórkowców. Żaden z nich nie miał dostępu do światła słonecznego, a więc nie mógł polegać na fotosyntezie jako źródle energii potrzebnej do wiązania dwutlenku węgla i podtrzymywania procesów życiowych. Radziły sobie inaczej – utleniały rozmaite związki chemiczne znajdujące się w osadzie jeziornym lub w wodzie i w ten sposób pozyskiwały energię. Jedne karmiły się żelazem, inne – siarką, kolejne sięgały po amoniak, a jeszcze inne – po metan. Tym ostatnim mikrobom Priscu i jego ludzie poświęcili odrębne badania, których wyniki opublikowali w lipcu 2017 r. w „Nature Geoscience”.

Do tej pory w próbkach z podlodowego jeziora nie znaleziono organizmów wielokomórkowych, chociaż potrzebnego im do oddychania tlenu akurat tam nie brakuje. Gaz przenika stale do wody jeziornej z bąbli powietrza uwięzionych w antarktycznym lodzie. Czy zatem pewnego dnia naukowcom uda się wpaść na trop jakiegoś bardziej złożonego organizmu – niesporczaka, wrotka albo nicienia? Wszystkie te bezkręgowce znaleziono już na powierzchni lądolodu Antarktydy. Może więc dałyby radę przetrwać również pod lodem? Niektóre z nich, jak niesporczaki i nicienie, słyną przecież z dużej odporności na warunki zewnętrzne. Priscu nie ma wielkich nadziei. – W przypadku Jeziora Whillansa szansa na to jest mała. To zbiornik mimo wszystko bardzo ubogi w pokarm. Jednokomórkowców jest tu dziesięciokrotnie mniej niż w najmniej żyznych obszarach dna oceanicznego. Taka skąpa strawa raczej nie zaspokoiłaby potrzeb zwierząt, nawet tych najmniejszych, o rozmiarach ułamków milimetra. Między innymi dlatego chcemy się dowiercić do większych jezior podlodowych, w których produkcja materii organicznej może być większa – mówi Priscu. Jego zespół właśnie teraz, w środku antarktycznego lata 2017/2018, prowadzi przygotowania do eksploracji podlodowego Jeziora Mercera, kilkakrotnie większego i głębszego od Whillansa. Badacze chcieliby się do niego dowiercić w styczniu 2019 r.

Wyprawa do wnętrza Ziemi

Zostawmy teraz Priscu i jego ludzi, przemierzających lodowe pustkowia Antarktydy, aby udać się w znacznie cieplejsze rejony globu. Naszym celem będzie Republika Południowej Afryki, gdzie znajdują się najgłębsze na Ziemi kopalnie, w których wydobywa się złoto. Także one są penetrowane przez naukowców szukających głęboko pod powierzchnią Ziemi niezwykłych form życia. Tym razem jednak takich, które zamieszkują wnętrza skał i preferują znacznie wyższe temperatury. Poszukiwania prowadzi belgijski badacz Gaëtan Borgonie z niewielkiej placówki naukowej Extreme Life Isyensya. – Skorupa ziemska to nie zbita, masywna skała, ale przestrzeń pełna szczelin i spękań, którymi krąży woda. W takich miejscach, znajdujących się nawet na głębokości wielu kilometrów, może kwitnąć życie – mówi Borgonie, który wraz z Maggie Lau z Princeton University opublikował niedawno wyniki badań prowadzonych przez wiele lat w kopalni złota Beatrix w pobliżu miasta Bloemfontein, stolicy południowoafrykańskiej prowincji Wolne Państwo. Na głębokości 1,3 km odkryli oni bogaty ekosystem reprezentowany przez jednokomórkowce zaliczone do 39 grup (typów). Okazało się, że wiele z tych mikroorganizmów jest bardzo długowiecznych. Do podziału komórkowego dochodzi u nich naprawdę rzadko, czasami raz na kilka tysięcy lat. Dla porównania, bakteria E. coli dzieli się co 20 min.

Warunkiem koniecznym do funkcjonowania życia jest oczywiście dostęp do wody. Jej podziemne zasoby, jak wynika z wielu nowych badań geologicznych, są całkiem pokaźne. Na przykład Rob Evans i Dan Lizarralde, naukowcy z amerykańskiego ośrodka Woods Hole Oceanographic Institution, odkryli ostatnio wielki rezerwuar słodkiej wody ukryty… pod dnem Oceanu Atlantyckiego, w pobliżu wybrzeży Ameryki Północnej, mniej więcej na wysokości Bostonu. Nie jest to pierwsze takie „głębinowe jezioro”, jak je określają badacze, schowane pod oceanem. Podobne znaleziono wcześniej m.in. u wybrzeży Tanzanii i Indonezji. W tych dwóch ostatnich przypadkach słodka woda głębinowa mogła dotrzeć z pobliskiego lądu, za to rezerwuar znaleziony na wschód od Bostonu może być reliktem z epoki lodowcowej. Do wnętrza skał przenika także woda oceaniczna, w szczególności tam, gdzie dno oceanu jest pełne szczelin i spękań tektonicznych. W listopadzie 2017 r. geolodzy z niemieckiego instytutu oceanograficznego GEOMAR w Kilonii doszli do wniosku, że taka woda może wędrować pod dnem na głębokość ponad 10 km.

Wróćmy jednak na ląd, na którym swoje badania prowadzi Borgonie. Hydrogeolodzy szacują, że w skalnych wnętrznościach kontynentów znajduje się sto razy więcej słodkiej wody niż we wszystkich rzekach, jeziorach i mokradłach. – Nie potrafimy określić rozmiarów biosfery pod oceanami, do której bardzo trudno jest dotrzeć. Natomiast biomasa ukryta pod powierzchnią lądów może stanowić aż jedną trzecią całej biomasy ziemskiej. Ten nieodkryty wciąż świat nazwano ostatnio mikrobialną ciemną materią, zapożyczając termin od astrofizyków – mówi Borgonie.

Do niedawna mało kto myślał o skałach jak o mateczniku życia. Dla geologów skała była martwa. Ale mikrobiolodzy zaczęli uparcie poszukiwać i znajdować mikroorganizmy w środowiskach z pozoru nienadających się do życia. W Arktyce wyizolowali bakterie mogące się rozmnażać w temperaturze ujemnej (psychrofile). W pobliżu gorących gejzerów i źródeł hydrotermalnych odkryli organizmy świetnie sobie radzące w temperaturach bliskich temperaturze wrzenia wody (termofile i hipertermofile). Również w takich miejscach natrafiono na mikroby potrafiące żyć w środowisku bardzo kwaśnym (acydofile), a w silnie zasolonych wulkanicznych jeziorach sodowych w Afryce Wschodniej znaleziono bakterie doskonale czujące się przy pH 10 (alkafile). Dodajmy, że już w XVII w. jeden z pionierów mikrobiologii, Antoni van Leeuwenhoek, przeprowadził eksperymenty, dzięki którym dowiedzieliśmy się o mikrobach żyjących bez dostępu do tlenu (anaeroby). Mikrobiolodzy wyizolowali też bakterie Gram-dodatnie, potrafiące bardzo długo przebywać w stanie uśpienia w oczekiwaniu na moment, gdy w ich otoczeniu pojawią się woda i pokarm. W istocie naukowcy mieli coraz większy kłopot ze wskazaniem takiego zakątka na naszej planecie, gdzie nie dałoby się znaleźć jakiegoś jednokomórkowca. Ziemia oferowała ekstremofilom, jak je łącznie określano, mnóstwo miejsc, w których mogły doskonalić się w sztuce przetrwania. Naturalnym krokiem wydawało się sprawdzenie, czy takie ekstremofile nie mogą egzystować także pod powierzchnią ziemskich kontynentów. Tym bardziej że ustalenie granic istnienia życia w podziemiach mogło pomóc w tropieniu jego śladów na innych globach Układu Słonecznego.

A jednak coś tam się kręci!

Nie było rady, mikrobiolodzy musieli zawrzeć sojusz z geologami. Po raz pierwszy przedstawiciele obu dyscyplin połączyli siły już w latach 20. XX w., kiedy to Edson Bastin, geolog z University of Chicago, oraz bakteriolog Frank Greer z tej samej uczelni wspólnie doszli do wniosku, że kwaśna ropa (zawierająca siarkowodór) jest dziełem beztlenowych bakterii redukujących siarczany, zwanych w skrócie SRB (od ang. sulfate-reducing bacteria). Jeszcze wcześniej, bo przed I wojną światową, niemieccy mikrobiolodzy z pomocą geologów szukali bakterii w pokładach węgla kamiennego, spekulując, że takie organizmy mogłyby być żywymi skamielinami, czyli potomkami tych bakterii, które 300 mln lat temu mogły mieszkać w torfowiskach potem zmienionych w pokłady węgla.

Później jeszcze wielokrotnie, głównie przy okazji wierceń poszukiwawczych, informowano o odkryciu bakterii pochodzących z głębin skorupy ziemskiej. Jednak przez trzy czwarte ubiegłego stulecia dyskwalifikowano tego rodzaju znaleziska, twierdząc, że nie są to żadne stwory z głębin, tylko zwykłe zanieczyszczenia z powierzchni dostarczone pod ziemię za pośrednictwem świdrów, płynów i przewodów wiertnicznych. Faktem jest, że działalność górnicza nigdy nie była zanadto sterylna. I nadal taka nie jest. W połowie XX w. jedynymi, którzy upierali się przy istnieniu podziemnego życia oraz kluczowej roli bakterii w formowaniu wielu złóż surowców, byli mikrobiolodzy radzieccy. Ukuli oni nawet termin „mikrobiologia geologiczna” (czy „geomikrobiologia”), ale na świecie niewielu było chętnych do rozwijania tej dyscypliny. Mało kto chciał ryzykować karierę naukową, skoro jeszcze w latach 70. XX w. dominował wśród badaczy pogląd, że ziemskich organizmów w zasadzie nie spotkamy poniżej metra – większość geologów i mikrobiologów zgodnie dowodziła, że głębsze rejony naszej planety są środowiskiem pozbawionym życia, bo zwyczajnie brakuje tam przestrzeni i energii, aby je podtrzymać przez dłuższy czas.

Wszystko wywrócił do góry nogami projekt Subsurface Science Program (SSP), uruchomiony w połowie lat 80. XX w. przez Departament Energii USA. Jego uczestnicy – także geolodzy i mikrobiolodzy, ale nastawieni mniej konserwatywnie do nowinek – zaczęli dowodzić, że podziemia nie są wcale sterylne, lecz zamieszkane przez liczne i zróżnicowane społeczności jednokomórkowców. Znaczna część wysiłku tych badaczy objęła opracowanie rozmaitych fizycznych i chemicznych znaczników umożliwiających odróżnienie mikroorganizmów, które są zanieczyszczeniami, od rdzennych mieszkańców skał nawiercanych nawet na głębokości 3 km. Projekt SSP dobiegł końca w połowie lat 90., ale pracujący nad nim naukowcy kontynuowali swoje poszukiwania, aż w końcu w kolejnej dekadzie doszli do wniosku, że bogactwo głębinowego życia dorównuje powierzchniowemu. Zaczęli mówić o podziemnej biosferze.

Nicień w krainie złota

Jednym z takich pionierów był Tullis Onstott, profesor Princeton University, który w 1996 r. pierwszy wybrał się na poszukiwania życia na najniższych poziomach kopalń złota w RPA. „Pokonywałem czarny jak smoła chodnik. Na głębokości 3 km temperatury i wilgotność były tak wysokie, że odbierały ochotę do myślenia o czymkolwiek. W pewnym momencie, wciąż wędrując w dół, znaleźliśmy się w jeszcze głębszym i jeszcze bardziej gorącym tunelu, który przemierzaliśmy przez godzinę, aż znaleźliśmy to, na czym mi najbardziej zależało. Woda! Skapywała z otworu wydrążonego w stropie. Wspiąłem się po rdzewiejącej siatce chroniącej ścianę tunelu i do małego pojemnika zebrałem jej tyle, aby zmierzyć temperaturę i odczyn pH. «Fantastycznie! Ma 50°C, a jej odczyn wynosi 9!» – zakrzyknąłem radośnie do mojego przewodnika” – tak opisuje wrażenia z tego pierwszego zjazdu do kopalni (potem było kilkadziesiąt innych) w swojej doskonałej książce „Podziemne życie”, właśnie wydanej przez wydawnictwo Prószyński Media.

Dziesięć lat później zespół Onstotta, z roku na rok coraz liczniejszy, wpadł na trop niezwykłej bakterii Desulforudis audaxviator. Zamieszkuje ona wyłącznie głębiny skalne, lubi wysokie temperatury, jest ruchliwa i potrafi świetnie pływać, a energię życiową czerpie, karmiąc się wodorem z radiolizy wody (powoduje ją promieniowanie z rozpadu uranu, składnika skał). Ów osobnik wytrzymuje zatem wysokie dawki radioaktywności. Wkrótce do Onstotta dołączył Borgonie, który 1,5 km pod ziemią, we wspomnianej już południowoafrykańskiej kopalni Beatrix, znalazł nicienia Halicephalobus mephisto – półmilimetrowego drapieżcę polującego na bakterie. Potem okazało się, że ów „robak z piekieł”, jak go nazwano, może przetrwać na głębokości ponad 3 km. Zachęcony tymi znaleziskami Borgonie zainstalował na dole kopalni filtry, przez które przesączył łącznie 13 mln litrów wody (!) wypływającej ze szczelin skalnych, i wykrył w ten sposób także inne bezkręgowce, w tym wrotki i pierścienice.

To, że wielokomórkowe organizmy mogą przetrwać w głębi skał, mając do dyspozycji znikomą ilość wody i tlenu cząsteczkowego (nicieniowi wystarczyło stężenie 0,5%), było sensacją, a astrobiolodzy zaczęli się poważnie zastanawiać, czy również Mars nie może mieć takiej samowystarczalnej biosfery, ukrytej głęboko pod powierzchnią, i w jaki sposób by to sprawdzić. Hipoteza istnienia życia głęboko pod powierzchnią Czerwonej Planety przestała być zarezerwowana dla fantastyki naukowej, a jej weryfikacja została uznana za zadanie możliwe do wykonania dla przyszłych sond marsjańskich. „W ciągu dwóch ostatnich dekad wiele się zmieniło w kwestii naszych wyobrażeń na temat granic życia. W miejsce niedowierzania pojawiło się wielkie zadanie naukowe. Trzeba być zawsze gotowym na to, że zostaniemy zaskoczeni, ponieważ tam na dole, głęboko pod naszymi stopami, czekają na nas wciąż nieodkryte cuda natury, a to, co znajdziemy, będzie miało implikacje dla poszukiwań życia pozaziemskiego” – zwraca uwagę w swojej książce Onstott.

Andrzej Hołdys
dziennikarz popularyzujący nauki o Ziemi, współpracownik „Wiedzy i Życia”