Mikrober dybt inde i jorden

Nyligt opdagede mikroorganismer, der dvæler inde i jordens skorpe, kunne afsløre spor af livets oprindelse

James K. Frederickson og Tullis C. Onstott*

Indhold:

Indledning
Den er levende!
At blive rig
Fra sandsten til SLiMEs
Så gammel som bakkerne
Udsigterne under jorden
Yderligere læsning

Indledning

Enkeltcellede organismer - bakterier, svampe og protozoa - trives på alle dele af jordens overflade. Deres hjemsteder strækker sig fra det kogende varme vand i termiske kilder til den behageligt kølige jord i baghaven. Mikroorganismer yder vigtige tjenester for andre skabninger ved at nedbryde affaldsprodukter og danne næringsstoffer. Nogle mikrober volder også skade ved at inficere højere organismer og forårsage sygdom. Heldigvis har forskerne lært at kontrollere mange af disse skadelige virkninger og udvide måderne hvorpå mikroorganismer gavner menneskeheden.
    Skønt folk har brugt mikroorganismernes stofskifteaktiviteter i tusinder af år til at producere ost, vin og brød, var det ikke før midten af det 20'ende århundrede, at forskere beherskede mikrober, så de kunne skabe antibiotika og lægemidler. I dag anvender folk også mikroorganismer til så alsidige opgaver, som at kontrollere skadedyr, behandle spildevand og nedbryde olieforurening. Med utallige nye anvendelser, der stadig venter på at blive opdaget, fortsætter biologer med at gennemsøge jordens overflade efter mikrober, der kunne vise sig værdifulde til fremstilling af nye lægemidler eller forbedre industriprocesser. Men indtil fornylig var der få bio-undersøgere, der tænkte på at kigge dybt inde i jorden. Langvarige videnskabelige dogmer sagde, at dette rige essentielt var sterilt. Men den overbevisning var forkert, viser det sig.

Den er levende!

De første tegn på at mikroorganismer levede dybt under overfladen - hundreder til tusinder af meter under jorden - dukkede op i 1920'erne fra Edson S. Bastins studier; Bastin var geolog på University of Chicago. Bastin spurgte, hvorfor vand udtrukket fra oliefelter indeholdt svovlbrinte og bikarbonat. Efter at have undret sig i nogen tid vovede Bastin at komme med en forklaring. Han vidste, at såkaldte sulfat-reducerende bakterier kan udnytte sulfat til åndedræt på steder på overfladen, hvor der ingen ilt er tilstede. Så Bastin sluttede, at sådanne bakterier også må leve i underjordiske oliereservoirer og frembringe svovlbrinte og bikarbonat, når de nedbryder organiske forbindelser i olie. I 1926 var det lykkedes Bastin og Frank E. Greer, en kollega på University of Chicago som specialiserede sig i mikrobiologi, at dyrke sulfat-reducerende bakterier fra grundvandsprøver, der var udtrukket fra en olieaflejring, som var hundreder af meter under overfladen.
    Bastin og Greer spekulerede på, at disse mikrober kunne være efterkommerne af organismer, der blev begravet for mere end 300 millioner år siden, da de sedimenter, der udgjorde olieaflejringen, blev deponeret. Men de havde ingen måde, hvorpå de kunne afprøve denne spændende hypotese. På den tid så mange forskere med skepsis på selve ideen om mikroorganismer, der levede dybt under jorden og bemærkede, at olieboreteknikker ikke var konstrueret til at opnå prøver, som ikke var forurenet af organismer fra overfladen. Med lille accept eller støtte i det videnskabelige samfund sygnede Bastins og Greers synspunkter hen.
    Interesse i petroleumaflejringers mikrobiologi livede midlertidigt op sent i 1940'erne og i 1950'erne, da Claude E. Zobell fra Scripps Institution of Oceanography og hans kolleger undersøgte mikrobeprocesser i sedimenter, der var begravet langt under havbunden. Men forskning i underjordisk mikrobiologi faldt igen til hvile i 1960'erne og 1970'erne. På trods af betydningen af klippeformationer som reservoir og ledninger til vandforsyninger, overvejede få muligheden af mikrobeaktivitet dybt under jorden. De fleste forskere troede, at vand gennemgik hovedsagelig uorganiske kemiske forandringer, når det passerede gennem jorden og at biologiske indflydelser var begrænset til jordlag nær overfladen. Disse forskere antog rutinemæssigt, at alle mikrober, der blev fundet i grundvandsprøver taget fra store dybder, var overfladeforurening.
    Så, i de sene 1970'ere og tidlige 1980'ere, stimulerede bekymringer om kvaliteten af grundvandet nogle forskere ved U.S. Geological Survey og Environmental Protection Agency til at genvurdere deres forståelse af grundvandskemi. Dette arbejde ansporede dem til at genoverveje muligheden for, at mikroorganismer kunne bebo vandgivende klippeformationer. På samme tid stod U.S. Department of Energy (DOE) overfor den skræmmende opgave at rense de industrielle faciliteter, hvor kernematerialer var blevet produceret. (Som passende under den kolde krig, havde DOE dumpet store mængder affald - inkluderende organisk rige opløsninger, metaller og radioaktive materialer - ned i det underjordiske på disse steder.) DOE forskere studerede også, hvordan man byggede underjordiske opbevaringssteder, der kunne isolere højniveau radioaktivt affald i tusinder af år.
    I denne periode ræsonnerede Frank J. Wobber, geolog og leder på DOE, at hvis mikroorganismer var tilstede langt under jordens overflade, kunne de hjælpe med at nedbryde begravede organiske forureninger eller på farlig måde forstyrre integriteten af lukkede rum, der indeholdt radioaktivt affald. Men en stor mængde fundamental forskning skulle gennemføres, før man kunne beskæftige sig med sådanne praktiske anliggender. Og derfor startede han en særlig virksomhed, kaldet Subsurface Science Program, indenfor DOE. Hans ide var at sponsorere en varieret gruppe af biologer, geologer og kemikere for systematisk at søge efter dybtsiddende livsformer og undersøge deres aktiviteter.
    Fordi vand, der er bragt op fra dybe borehuller, let forurenes med organismer, der lever nær overfladen, besluttede holdet, der var samlet af Wobber, i stedet at studere stykker af klipper. Men først behøvede gruppen en måde at indsamle rene, intakte prøver af klippe (kerner) fra dybt nede i skorpen.
    Tommy J. Phelps fra Oak Ridge National Laboratory og W. Timothy Griffin fra Golder Associates levede op til udfordringen ved at konstruere et særligt boreapparatur, der minimaliserede kerneprøvernes kontakt med den borevæske, der var nødvendig for at sørge for smøring i et borehul. Og James P. McKinley fra Batelle, Pacific Northwest National Laboratory, sammen med F.S. (Rick) Colwell fra Idaho National Engineering Laboratory, formulerede særlige "sporstoffer" - tilsætningsstoffer, der kunne blandes med borevæsken for at vise, om denne væske (og enhver mikroorganisme båret inde i den) kunne have gennemtrængt boreprøverne.

At blive rig

Eftersøgningen af underjordiske mikrober begyndte i 1987, da DOE arrangerede at bore adskillige dybe borehuller i South Carolina nær Savannah River faciliteten til behandling af kernematerialer. Sammen med operatørerne af boreriggen der, arbejdede et hold forskere på at undgå mikrobeforurening. Forskerne tilførte flittigt sporstoffer og overvågede procedurerne døgnet rundt, som boringen skred frem. Når boremandskabet bragte en kerne op til overfladen, indhyllede et medlem af holdet hurtigt prøven og placerede den i en "glove bag" til behandling. Disse plastikbeholdere sørgede for et sterilt miljø fyldt med en ikke-reagerende luftart (nitrogen) som en forebyggelse for at beskytte såkaldte obligatoriske anaerober - bakterier, der hurtigt ville blive forgiftet af ilten i luften.
    Ved brug af operationshandsker af gummi fastgjort til disse sækkes indre brugte medlemmer af holdet sterile værktøjer til at skrælle den yderste skorpe af hver boreprøve, så kun den del var tilbage, som det var mindst sandsynligt havde været udsat for bakterieforurening i borevæsken. Hvis sivning af sporkemikaliet viste, at en bestemt prøve kunne være blevet inficeret, bemærkede den forsker, der dissekerede den, at den kerne, den kom fra, meget muligt kunne være forurenet.
    Oprindelige indre kerneprøver, som var indhentet på denne måde, blev så anbragt i sterile beholdere fyldt med nitrogen, som blev pakket i is og sendt til forskningslaboratorier over hele Nordamerika. Indenfor 72 timer efter fjernelsen af klipperne fra undergrunden, udsatte andre medlemmer af forskningsgruppen, som var baseret på mange forskellige institutioner, prøverne for et batteri af prøver konstrueret til at vurdere klipperne og de mikroorganismer, de husede. Efter disse første eksperimenter sendte forskerne de mikrober, de havde udvundet fra de underjordiske prøver, til særlige opbevaringssteder i Florida og Oregon, for at de kunne blive opbevaret i flydende nitrogen ved -96 grader Celsius.
    De første resultater af denne søgen efter dybtliggende livsformer var ekstraordinære. De involverede forskere lærte hurtigt, at forskellige typer mikroorganismer levede under Savannah River pladsen i dybder, der strakte sig så dybt som 500 meter under overfladen, den dybeste kerne der blev taget. Vi og vore mange kolleger, der arbejder under DOEs Subsurface Science Programs skjold, har siden undersøgt mange andre geologiske omstændigheder. Skønt vi stadig er usikre på udbredelsen af svampe eller protozoa, viser resultaterne klart, at underjordiske bakterier er allestedsnærværende. Vi har nu indhentet disse organismer fra formationer med temperaturer så høje som 75 grader C og fra dybder der strækker sig til 2,8 kilometer under overfladen.
    Hvad bestemmer den maksimale dybde ved hvilken underjordiske mikrober kan eksistere? Stigende tryk udøver lille direkte virkning på mikroorganismer selv adskillige kilometer under jordoverfladen. Det er den stigende temperatur, der begrænser dybden af underjordisk liv. Den maksimale temperatur sådanne organismer kan tolerere, forbliver noget af et mysterium, men biologiske oceanografer har fundet bakterier, der er i stand til at vokse ved 110 grader C i dybhavs vulkanske ventiler og nogle forskere vurderer, at underjordiske mikroorganismer kunne modstå temperaturer så høje som 140 grader C, i det mindste i korte perioder.
    For oceanskorpe, hvor temperaturen stiger omkring 15 grader C pr. kilometer dybde, tillader tolerance af 110 grader mikrobielt liv at strække sig (i gennemsnit) omkring syv kilometer under havbunden. For kontinental skorpe, hvor temperaturen ofte er nær 20 grader C ved overfladen og typisk stiger med omkring 25 grader pr. kilometer, burde mikroskopisk liv, i gennemsnit, nå næsten fire kilometer nedad ind i jorden.
    Det ser ud til, at livets rigdom i det dybe underjordiske ikke alene afhænger af tolerable temperaturer men også af det lokale miljøs evne til at understøtte vækst og formering. Afgørende forudsætninger inkluderer tilstedeværelsen af vand og rådigheden af plads i klippens porer. Området, der er vært for mikroberne, skal også indeholde næringsstofferne - som kul, nitrogen, fosfor og forskellige spormetaller - som mikroorganismer behøver for at syntetisere deres cellebestanddele, inkluderende DNA og proteiner. Miljøet skal også tilbyde en form for brændstof til at sørge for energien der kræves til denne vedvarende aktivitet.

Fra sandsten til SLiMEs

Typerne af mikrober fundet i jordens dybe riger afhænger af særegenhederne ved det lokale underjordiske miljø. Forskellige bakterielle samfund trives i de fleste sedimentære klipper, som almindeligvis indeholder en rig forsyning af organiske forbindelser til at nære mikroorganismer. Disse næringsstoffer blev oprindeligt produceret af planter ved jordens overflade, før det løse sand, slam eller ler, der udgør de fleste sedimentære formationer, blev begravet og konsolideret til fast klippe. Så længe disse næringsstoffer forbliver til rådighed, kan mikroorganismer, der lever inde i sedimenternes porer, fortsætte med at overleve og vokse. Sedimentære klipper tilfører også iltede former for svovl, jern og mangan, der kan give den energi, disse mikrober behøver. De kemiske kraftkilder er her såkaldte reduktionsreaktioner (processer der involverer overskud af elektroner).
    Efterhånden som sedimenter bliver dybere begravet i løbet af den geologiske tid, bliver de presset mere sammen. Meget af den svindende plads i porerne bliver med tiden limet til af mineraler, der udfældes fra væsker, der passerer gennem klippen. Som konsekvens heraf, efterhånden som dybden og trykket vokser, daler chancen for at opnå materialer, der opretholder livet og den overordnede hastighed af stofskiftet i mikrobesamfundene formindskes gradvist, undtagen på de pletter, der direkte omgiver rige koncentrationer af næringsstoffer. Fordelingen af mikroorganismer i sedimenter bliver til slut temmelig uensartet. Små kolonier - eller endda individuelle celler - lever godt adskilt fra hinanden inde i klippen. Så det er ikke overraskende, at det viser sig, at søgen efter mikroorganismer, der lever i disse omgivelser, bliver en affære, hvor man rammer eller skyder forbi. Todd O. Stevens fra Batelle, Pacific Northwest National Laboratory, har fundet, for eksempel, at med sediment indsamlet nær DOEs Hanford facilitet i Washington State gælder det, at jo større en prøve der blev afprøvet, jo bedre var chancerne for at finde mikrobeaktivitet.
    Skønt den er temmelig ugæstfri, er sådan hærdet sedimentær klippe ikke det mest udfordrende miljø for underjordiske mikrober: nogle miljøer forekommer langt mere fjendtlige. Størstedelen af den kontinentale skorpe er sammensat af vulkansk klippe (dvs. klippe, der er størknet fra smeltet magma), som indeholder lidt organisk kul. Ikke desto mindre opdagede Stevens og McKinley bakterier, der levede inde i vulkanske formationer sammensat af lag af basalt (en mørk, finkornet type klippe).
    Mikroorganismer trives også i andre vulkanske klipper. Karsten Pedersen fra University of Gøteborg i Sverige detekterede bakterier i vand, der flød gennem dybe revner i granit - en lys, grovkornet variant af vulkansk klippe. Fordi vulkansk klippe er for varm til at understøtte liv, når den først dannes, må mikrober, der findes inde i sådan en klippe, være blevet ført dertil af grundvandets strøm på et tidspunkt efter forældremagmaen afkøledes og blev fast.
    Lidt begravet organisk stof er til rådighed inde i vulkanske formationer og derfor blev Stevens og McKinley overraskede over at opdage, at mikrober kunne blomstre i basalt. Efter et stykke tid opdagede de hemmeligheden. Bakteriesamfundene, der levede der, inkluderer såkaldte autotrofer, organismer der syntetisere organiske forbindelser (proteiner, fedt og andre biologiske molekyler, der er rige på kul) fra uorganiske kilder. Mange typer autotrofe bakterier vinder energi fra uorganiske kemiske reaktioner, som involverer jern eller svovl. Autotroferne, der lever i disse basalter, bruger brintgas til energi og udvinder kul fra uorganisk kuldioxid. Disse "acetogener" udskiller så simple organiske forbindelser, som andre bakterier så efter tur kan fortære. I disse basalter er brintgassen frembragt af reaktionen af iltfattigt vand med jernholdige mineraler. Mange af os kalder sådanne miljøer for "SLiMEs" for subsurface lithoautotrophic microbial ecosystems (underjordiske lithoautotropiske mikrobesystemer). Overraskende kan SLiME mikroorganismer vare ved uendeligt uden nogen forsyning af kul fra overfladen.

Så gammel som bakkerne?

Ligesom Bastin og Greer, der arbejdede årtier før os, spekulerede vi på, om underjordiske bakteriekolonier kunne overleve lige så længe som de klipper, der er vært for dem. En sådan lang levetid er klart ikke altid mulig. Den fortsatte begravelse af sedimenter kan til sidst hæve temperaturen tilstrækkeligt til at rense en hel klippeformation for levende bakterier. Mere lokal sterilisation kan også forekomme, hvor brandvarm magma rammer sedimentære lag og efterlader en samlet masse af vulkansk klippe omgivet af godt bagte sedimenter. Når en sådan nyligt størknet klippe køler af eller tektoniske kræfter løfter varme, dybt begravede sedimentære lag til en køligere position tættere på overfladen, vil bakterier båret af grundvandet kolonisere de tidligere sterile zoner.
    Dog kan den infiltrationsproces være yderst langsom. Ellyn M. Murphy fra Batelle, Pacific Northwest National Laboratory har f.eks. bestemt, at det grundvand, der nu er tilstede dybt under Savannah River faciliteten, ikke har været i kontakt med overfladen i tusinder af år. I de dybeste steder vi har undersøgt, viser vore målinger og computermodeller, at grundvandet har været isoleret fra overfladen i millioner af år. Fordi mikroorganismer ikke kunne have rejst nedad fra overfladen hurtigere end grundvandet steg ned, må nogle underjordiske mikrobesamfund være mindst adskillige millioner år gamle.
    Hvordan klarer mikroorganismer at holde ud så længe? I nogle tilfælde (for eksempel, SLiMEs) kan bakterier overleve, fordi de essentielle næringsstoffer konstant fornys; men i de fleste andre slags formationer er føde- og energikilder relativt sparsomme. Ikke desto mindre synes de residerende bakterier at have tilpasset sig disse temmelig spartanske livsbetingelser. Bakterier må stole på deres indre reserver i perioder med langtidssult (som andre højere organismer gør) og de fleste typer bakterier skrumper ind fra en sund størrelse på nogle få micron til mindre end en tusindedel af deres normale rumfang, når de opbruger deres lagre. Thomas L. Kieft fra New Mexico Institute of Mining and Technology har fundet, at sådanne små, udsultede mikrober (kaldet dværgbakterier eller "ultramikro-bakterier") almindeligvis bebor undergrunden.
    Stofskiftehastigheden hos sådanne udsultede bakterier er sandsynligvis meget lavere end, når de er godt fodrede. Som resultat kan middelfrekvensen af celledeling for en underjordisk mikrobe være en gang hvert århundrede, eller endda mindre, hvorimod mikroorganismer på overfladen reproducerer i løbet af minutter, timer, dage eller, højst, måneder. Mikroorganismer, der lever i den dybe undergrund, begrænser deres stofskifte for at udholde udsultning i geologisk betydningsfulde tidsrum. Disse bakterier kan forblive levedygtige ved lille eller ingen stofskifteomkostning.
    Det langsomme tempo af mikrobernes stofskifte i undergrunden gør det vanskeligt at definere præcis, hvor mange af de bakterier, der findes begravet i disse klipper, virkelig er i live. En indfaldsvinkel er kun at tælle de mikrober, der kan dyrkes i laboratoriet. Mere end 10 procent af cellerne udtrukket fra sandede sedimenter, hvor vand og næringsstoffer alment kan flyde frit, vil formere sig, når de gives en tilførsel af næringsstoffer i laboratoriet. I kontrast hertil vil mindre end en tiendedel af 1 procent af cellerne udtrukket fra sedimenter i det udtørrede vestlige U.S.A. (hvor strømmen af vand er minimal) vokse i en kulturskål.
    Det kan være, at de fejlslagne forsøg på at dyrke de fleste underjordiske bakterier er et resultat af vor manglende evne til at genskabe de korrekte forhold i laboratoriet. Eller måske er disse organismer simpelthen ikke mere levende. I klipper, hvor strømmen af næringsstoffer og vand er lav, opløses døde celler yderst langsomt og derfor ville nogle af vore biokemiske prøver tælle dem sammen med de få levende celler. Eller også kunne de fleste af organismerne fungere men have mistet evnen til at reproducere.

Udsigterne under jorden

Indtil nu har vor kollega David L. Bulkwill fra Florida katalogiseret og bevaret mere end 9,000 arter af mikroorganismer fra forskellige underjordiske miljøer. Disse isolerede prøver - som indeholder et enormt udvalg af bakterier og omkring 100 typer svampe - er en kilde til nyt mikrobeliv, som endnu ikke er blevet fuldt afprøvet for kommercielt anvendelige egenskaber.
    Ud af den lille procentdel af samlingen, som forskere har undersøgt i detaljer, viser en overraskende stor del potentielt værdifulde evner. Eksempler på sådanne træk inkluderer evnen til at nedbryde giftige organiske forbindelser såvel som at producere antibiotika, varmestabile enzymer og endda nye pigmenter. Pfizer screener nu 3,200 slags underjordiske bakterier for produktionen af nye antimikrobe produkter og ZymoGenetics, et bioteknologisk firma, undersøger i øjeblikket mindst 800 isolerede prøver fra dette arkiv for produktion af andre nyttige substanser.
    Måske vil disse undersøgelser resultere i mange kommercielle produkter. Men selv uden sådanne hurtige praktiske udbytter vil arbejdet med at undersøge jordens indre for mikroorganismer helt sikkert belønne forskere med en bedre forståelse af, hvordan livet kan eksistere isoleret fra overfladen. Flere studier af underjordiske samfund kan, f.eks., vise hvordan livet fungerede på den tidlige jord, før fotosyntesen udvikledes. De kan også give indsigt i, om mikrober selv nu kunne leve under Mars' overflade eller under det isfyldte ydre af nogle af de større måner i det ydre solsystem. Når vi ser, hvordan mikrober overlever hårdheden ved dyb begravelse på jorden, er vi mere tilbøjelige til at tro, at små udenjordiske virkelig kunne ligge på lur derude.

Yderligere læsning

The Deep Subterranean Biosphere. Karsten Pedersen i Earth Sciences Reviews, Vol. 34, No. 4, siderne 243-260; august 1993.

Ground-Water Microbiology and Geochemistry. Francis H. Chapelle. John Wiley and Sons, 1993.

The Biosphere Below. Daniel Grossman og Seth Shulman i Earth: The Science of our Planet, Vol. 4, No. 3, siderne 34-40; Juni 1995.

Geomicrobiology. Third Edition. Henry L. Ehrlich. Marcel Dekker, 1996.

Information om U.S. Department of Energy Subsurface Science Program er til rådighed på World Wide Web på http://www.er.doe.gov/production/oher/EPR/subprog.html

* James K. Frederickson og Tullis C. Onstott udfører forskning for Department of Energy's Subsurface Science Program. Frederickson er miljø mikrobiolog på Batelle, Pacific Northwest National Laboratory og virker også som chefredaktør af bladet Microbial Ecology. Han har specialiseret sig i at anvende molekylære og isotopiske metoder til undersøgelser af underjordiske bakterier (inkluderende nogle fra hans vinkælder). Onstott er professor i afdelingen for geologiske og geofysiske videnskaber på Princeton University. Hans ekspertise er at studere historien af væske- og varmestrømning inde i jordens skorpe. Han begyndte at arbejde med medlemmer af Subsurface Science Program i 1993 for at hjælpe med at bestemme alderen af dybt begravede mikrobesamfund og han fik hurtigt den mystiske underjordiske bakterie, der har inficeret denne store gruppe forskere med en mærkelig entusiasme for deres fælles forskning.

fra Scientific American, oktober 1996, pp. 42-47.

19. juli, 2005.

Indhold
Index