Podziemne życie. W poszukiwaniu ukrytej biologii Ziemi,Marsa i innych planet - Tullis C. Onstott

 

 

PRZEDMOWA

We wrześniu 1996 roku pokonywałem z mozołem czarny jak smoła podziemny korytarz w Western Deep Levels, jednej z najgłębszych kopalni złota należących do koncernu górniczego Anglo American, znajdującej się na zachód od Johannesburga w Republice Południowej Afryki. Na głębokości 3 kilometrów pod powierzchnią Ziemi temperatura i wilgotność były tak wysokie, że odbierały ochotę do myślenia o czymkolwiek. Rano tego dnia mój przewodnik i ja zostaliśmy poinformowani, że kopalniana kolejka nie może nas zabrać w miejsce, gdzie chciałem zbierać próbki, ponieważ akurat na tym poziomie system wentylacyjny jest wyłączony. W związku z tym mój przewodnik postanowił poprowadzić mnie inną drogą wiodącą przez labirynt krętych korytarzy. Po godzinie marszu dotarliśmy wreszcie do przodka - wąskiego, nachylonego korytarza, w którym górnicy urabiali skałę bogatą w złoto i węgiel. Nie spodziewałem się, że wejście do przodka będzie wyglądało jak dziura prowadząca do króliczej nory, tyle że wydrążona w ścianie tunelu, w którym teraz się znajdowaliśmy. Wcisnęliśmy się do tej dziury i zaczęliśmy pokonywać korytarz o wysokości mniej niż metra opadający w dół pod kątem 30 stopni. Tam mój przewodnik w niezrozumiałym dla mnie języku wydał polecenia górnikom, którzy zabrali się do odłączania detonatorów od ładunków wybuchowych umieszczonych już w skale. Gdy oni skończyli, myśmy zaczęli - z warstwy skał bogatych w węgiel wydobywaliśmy ostrożnie duże, blisko dziesięciokilogramowe bloki, które wkładałem do jałowych worków, a następnie wciskałem do plecaka. Za każdym razem, gdy mój kask uderzał w strop wąskiego chodnika, starałem się nie myśleć o tych wszystkich masach skalnych znajdujących się nade mną. Mój przewodnik wraz z częścią próbek zaczął się zsuwać po śliskim, stromym osypisku. "Schodzimy jeszcze głębiej?" - krzyknąłem do niego, trochę zaskoczony. Widziałem tylko jego lampę czołową świecącą gdzieś na dole. Trzymając plecak w jednej ręce, ruszyłem za nim w dół wyrobiska. "Szybko, zaraz zaczną wysadzać skały!" - dobiegło mnie z dołu ponaglające wołanie. W powietrzu czuć było woń spalonych skał. To był prawdziwie piekielny odór ognia i siarki. Całe wyrobisko było nim przesycone. Nigdzie nie widziałem śladów obecności wody, z wyjątkiem małych, rdzawych plamek, które dostrzegłem pół godziny wcześniej i pobrałem ich próbki wraz z kawałkami skał. Gdy w końcu dotarłem do przewodnika, ten chwycił mnie mocno i odciągnął na bok, ponieważ zachwiałem się i niewiele brakowało, bym wpadł do czarnej czeluści. "Uważaj, mój przyjacielu, bo dno jest sto metrów niżej" - zwrócił się do mnie z twardym afrykanerskim akcentem. W pewnym momencie, wciąż wędrując w dół, opuściliśmy przodek przez kolejną króliczą dziurę i znaleźliśmy się w jeszcze głębszym i jeszcze bardziej gorącym korytarzu, który przemierzaliśmy przez godzinę, aż znaleźliśmy to, na czym mi najbardziej zależało. Woda! Skapywała z otworu wydrążonego w stropie na skrzyżowaniu tuneli. W nozdrzach poczułem pieczenie od gryzącego zapachu amoniaku. Wspiąłem się po rdzewiejącej drucianej siatce osłaniającej ścianę korytarza i wyciągnąłem chronioną rękawicą dłoń w kierunku odwiertu. Do małego pojemnika udało mi się zebrać wystarczająco dużo wody, aby zmierzyć jej temperaturę i odczyn pH. "Fantastycznie! Ma pięćdziesiąt stopni Celsjusza, a jej odczyn wynosi dziewięć" - zawołałem radośnie do mojego przewodnika. Następnie umocowałem sobie na piersi mały plecak, wspiąłem się jeszcze wyżej po siatce i balansując niepewnie na jej uchwytach, napełniłem płynem wszystkie sterylne fiolki, jakie zabrałem ze sobą na tę wyprawę. Gdy zeskoczyłem z siatki na podłogę, natychmiast ruszyliśmy w drogę powrotną. "Śpieszmy się, musimy złapać windę" - popędzał mnie przewodnik, gdy maszerowaliśmy tunelem. Starałem się za nim nadążyć w swoich źle dopasowanych gumiakach. Wciąż poprawiałem obluzowujący się pasek, na którym wisiała bateria do lampy czołowej, i z trudem dotrzymywałem kroku mojemu przewodnikowi, mając na grzbiecie 30 kilogramów skał i próbki wody.

Nareszcie dotarliśmy do dolnej stacji windy. Do jej przyjazdu pozostało parę minut, wykorzystałem je na zrobienie zdjęć. Górnicy, którzy właśnie skończyli swoją zmianę, leżeli w różnych pozycjach na betonowym podłożu z dala od szybu windy, a kierownicy zmiany przysiedli obok nich na małych ławeczkach. Gdy tak strzelałem fotkę za fotką, mój przewodnik zdjął swój kombinezon roboczy i wypiął na mnie pupę. Kierownicy zmiany wybuchnęli śmiechem, górnicy popatrzyli speszeni. Zaśmiałem się nerwowo, lecz gdy w milczeniu czekaliśmy na windę, zapytałem siebie w duchu: "Co ja, u diabła, tutaj robię, tych kilka kilometrów pod ziemią, zbierając próbki do analiz na obecność mikroorganizmów?". Wyniki badań próbek znajdujących się teraz w moim plecaku miały dostarczyć odpowiedzi na pytanie, czy warto było tu przyjechać. Mogłem znaleźć bakterie, które były odizolowane od powierzchni Ziemi od 2 milionów lat, albo nawet rozwiązać zagadkę pochodzenia ziemskiego życia. Najpierw jednak musiałem szczelnie odizolować próbki od powietrza, a potem zabrać je wszystkie do USA.

W końcu winda przyjechała, a ja powróciłem myślami do teraźniejszości, ładując się do klatki razem z trzydziestoma spoconymi górnikami. Stałem unieruchomiony z ramionami przyciśniętymi do boków; plecak tkwił między moimi nogami. Winda została z trzaskiem zasunięta i zamknięta od zewnątrz. Było ciemno i dziwnie cicho, słychać było tylko ćwierkanie mechanizmów windy. Po chwili szarpnęła i ruszyła do góry, nabierając coraz większej prędkości. Pędziliśmy w stronę chłodnej, słonecznej powierzchni, tak teraz odległej. Przez cały dzień maszerowałem, truchtałem, wspinałem się i czołgałem na głębokości 3 kilometrów w poszukiwaniu ukrytego królestwa życia. Za dziesięć minut miałem znów być bezpieczny na górze.

 

 

SKRÓTY

AEC

Atomic Energy Commission

AMS

akceleratorowy spektrometr mas

ATP

adenozyno-5?-trifosforan

CBD

konwencja o różnorodności biologicznej

DIC

rozpuszczony węgiel nieorganiczny 

DLO

organizm podobny do Desulfotomaculum

DNA

kwas deoksyrybonukleinowy

DOC

rozpuszczony węgiel organiczny 

DOE

Department of Energy

DTS

rozproszony czujnik temperatury

EPA

Environmental Protection Agency

ESRC

Environmental Science and Research Center

EXLOG

Exploration Logging Company

FSU

Florida State University

GC-MS

chromatografia gazowa ze spektrometrią mas

GeMHEx

Geological Microbial Hydrological Experiment

GPR

georadar

HPLC

wysokosprawna chromatografia cieczowa

IMT

znacznik mikrobiologiczny IMT

INEL

Idaho National Engineering Laboratory

ISSM

International Symposium on Subsurface Microbiology

JOIDES

Joint Oceanographic Institutions for Deep Earth Sampling

LANL

Los Alamos National Laboratory

LBNL

Lawrence Berkeley National Laboratory

LExEn

Life in Extreme Environments (program NSF)

MLS

próbniki wielopoziomowe

NAI

NASA Astrobiology Institute

NASA

National Aeronautics and Space Administration

NCBI

National Center for Biotechnology Information

NMT

New Mexico Tech

NOSR

Naval Oil Shale Reserves

NRF

National Research Foundation (RPA)

NSF

National Science Foundation

NTS

Nevada Test Site (Poligon Nevada)

ODP

Ocean Drilling Program

OHER

Office of Health and Environmental Research

ORNL

Oak Ridge National Laboratory

PCR

reakcja łańcuchowa polimerazy

PFC

perfluorowęglowodory

PFT

znacznik perfluorowęglowodorowy

PLFA

kwas fosfolipidowy

PNAS

"Proceedings of the National Academy of Sciences"

PNL

Pacific Northwest Laboratory

PNNL

Pacific Northwest National Laboratory

PP

ochrona planetarna

ppm

części na milion

PVC

polichlorek winylu

RNA

kwas rybonukleinowy

rRNA

rybosomalny RNA

RWMC

Radioactive Waste Management Complex

SEM

skaningowa mikroskopia elektronowa

SLiMEs

podpowierzchniowe litosferyczne systemy mikrobialne

SPIE

International Society for Optics and Photonics

SRB

bakteria redukująca siarczany

SRP

Savannah River Plant

SSP

Subsurface Science Program

TCE

trichloroetan

TDEF

pole elektromagnetyczne w funkcji czasu

TEM

transmisyjna mikroskopia elektronowa

Tmax

temperatura maksymalna

URL

podziemne laboratorium naukowe

USGS

United States Geological Survey

UV

promieniowanie ultrafioletowe

WIPP

Waste Isolation Pilot Plant

 

 

WSTĘP

JAKIE SĄ GRANICE ŻYCIA NA ZIEMI?

Obecnie nie wiemy dokładnie, w jaki sposób życie pojawiło się na naszej planecie. Ten obraz jest wciąż częściowo przed nami ukryty. Znamy fragmenty łamigłówki, ale nie wiemy, jak w całości ona wygląda. Dopiero w ostatnich dekadach udało nam się dowiedzieć trochę więcej o tym, jakie mogą być granice ziemskiego życia, wciąż jednak szukamy wytłumaczenia, dlaczego owe granice istnieją i jak powstały. Z powodu luk w wiedzy na temat genezy i granic życia na Ziemi niezwykle trudnym wyzwaniem staje się poszukiwanie życia na innych ciałach niebieskich Układu Słonecznego. Książka ta opowiada o eksploracji głębszych warstw lądowej skorupy ziemskiej w celu ustalenia, jakie mogą być granice życia pod powierzchnią kontynentów oraz w jaki sposób nasze próby i odkrycia z ostatnich 25 lat mogą się przydać w tropieniu śladów życia w Układzie Słonecznym, przede wszystkim na Marsie.

Zazwyczaj nie myślimy o skale jak o mateczniku życia. Wykorzystujemy granit jako kamień budowlany, skały wulkaniczne jako żwir drogowy, a z marmuru wytwarzamy blaty stołów i dzieła sztuki. Założę się, że kiedy stoisz przed Dawidem wyrzeźbionym przez Michała Anioła, znajdującym się w Galerii Akademii we Florencji, raczej nie przyjdzie ci do głowy, że w mikroskopijnych porach ukrytych kilka centymetrów pod gładką powierzchnią marmuru z Carrary żyją bakterie. Te bakterie są od milionów lat uwięzione w skale, w której powoli się rozmnażają, uwalniając przy okazji dwutlenek węgla i wytwarzając nanokrystaliczny kalcyt - ten sam minerał, z którego głównie składa się marmur. Wiem dobrze, że kiedy górnicy drążą podziemne tunele, aby wydobywać węgiel spod Appalachów albo pozyskiwać metale z podziemnych kruszconośnych żył w Republice Południowej Afryki, zazwyczaj nie myślą o skałach jako o kolebce życia. Nigdy nie spotkałem wiertacza, który zatrzymałby się na chwilę, aby podumać, czy zbiornik gazu lub ropy, do którego się wwierca, pokonując kilometry skał, może też mieć jakichś swoich mieszkańców.

Jestem geologiem z wykształcenia i jak większość geologów również widziałem w skałach wyłącznie obiekty nieożywione. Badamy mikroskopijne detale budowy skał głównie po to, aby znaleźć najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie, kiedy i w jaki sposób przybrały one obecną postać. Próbujemy wyjaśnić, jakie procesy fizyczne je uformowały i jak te procesy mają się do historii geologicznej naszego globu. Paleontolodzy koncentrują uwagę na skałach zawierających skamieniałe formy życia, które istniały na powierzchni Ziemi w czasach, gdy deponowany był materiał formujący te skały. Niektórzy paleontolodzy zajmujący się skałami z prekambru, czyli z czasów sprzed ekspansji organizmów wielokomórkowych, szukają śladów obecności mikroorganizmów zamieszkujących wówczas powierzchnię naszej planety. W tym celu analizują budowę cząsteczek organicznych, skład znajdujących się w nich izotopów stabilnych, na przykład proporcje węgla 13C do węgla 12C (13C/12C), lub też pewne struktury fizyczne w skałach, które mogą być skamieniałymi błonami biologicznymi. Postępują tak, ponieważ chcą zrekonstruować ewolucję życia na powierzchni globu oraz wyjaśnić, jak się to ma do ewolucji ziemskich oceanów i atmosfery. Jednak nawet z ich perspektywy te pradawne mikroorganizmy umierały szybko, w miarę jak piasek i muł, w którym żyły, zmieniały się w skałę. Dla geologów skała jest martwa.

Z naukowego punktu widzenia mikrobiolodzy są przeciwieństwem geologów, nawet wtedy, gdy jedni i drudzy jeżdżą dokładnie w te same rejony świata, aby prowadzić badania terenowe. Mikrobiolodzy pobierają próbki, które przewożą do laboratorium. Tam wyizolowują z nich mikroorganizmy, a następnie przeprowadzają eksperymenty z ich udziałem, aby wydedukować, co robią one w swoim środowisku i jak to robią. W ciągu ostatniego stulecia część tych badaczy uparcie i konsekwentnie poszukiwała mikroorganizmów i znajdowała je w środowiskach, których w pierwszej chwili z pewnością nie uznalibyśmy za gościnne dla życia. W Arktyce wyizolowali oni bakterie mogące się rozmnażać w temperaturze ujemnej (psychrofile), a w gorących źród­łach Parku Narodowego Yellowstone odkryli bakterie świetnie sobie radzące w temperaturach bliskich temperaturze wrzenia wody (termofile i hipertermofile). Również w Yellowstone natrafiono na mikroby potrafiące żyć w środowisku kwaśnym (acydofile). W silnie zasolonych wulkanicznych jeziorach sodowych w Afryce Wschodniej mikrobiolodzy znaleźli bakterie doskonale czujące się przy pH 10 (alkafile). Jeden z pionierów mikrobiologii Antonie van Leeuwenhoek w XVII wieku robił eksperymenty, które doprowadziły do odkrycia mikrobów żyjących bez dostępu tlenu (anaeroby). Mikrobiolodzy znaleźli także bakterie znane jako Gram-dodatnie, które wykazują niezwykłą zdolność do długiego przebywania w stanie uśpienia jako przetrwalniki. Pozbawione substancji pokarmowych mogą przebywać pod taką postacią przez wiele dekad, aż do momentu, gdy w ich otoczeniu pojawią się woda i pokarm. W istocie mikrobiologom coraz trudniej przychodzi znalezienie takiego zakątka na powierzchni Ziemi, niezależnie od tego, jak surowe środowisko penetrują, gdzie nie dałoby się znaleźć jakiegoś jednokomórkowca, którego można hodować w laboratorium.

Geolodzy po raz pierwszy połączyli siły z mikrobiologami w latach dwudziestych XX wieku, aby wspólnie wyruszyć do królestwa, do którego mikrobiolodzy wcześniej nie zaglądali: do podziemi. Edson Sunderland Bastin, specjalista geologii gospodarczej z Uniwersytetu Chicagowskiego, oraz bakteriolog Frank E. Greer z Wydziału Higieny i Bakteriologii tej samej uczelni postanowili wspólnie zweryfikować pewną prostą hipotezę. Twierdzili, że kwaśna ropa (ropa zawierająca siarkowodór, czyli H2S, a więc ten sam gaz, który uwalnia się z zepsutych jaj) jest dziełem beztlenowych bakterii redukujących siarczany zwanych w skrócie SRB (od ang. sulfate reducing bacteria). W laboratorium Greer zaczął hodować w wysokiej temperaturze SRB dostarczone mu przez Bastina, który znalazł mikroorganizmy w wodzie wypływającej z szybów naftowych penetrujących formacje geologiczne z epoki pensylwanu. Okazało się, że ich podejrzenia były słuszne! Jednak wtedy narodziło się drugie, bardziej interesujące pytanie: czy owe SRB pojawiły się w tej formacji skalnej wraz z jej osadzeniem się na dnie oceanów i od 300 milionów lat stale w niej mieszkają głęboko pod powierzchnią? Na to pytanie żaden bakteriolog nie mógł odpowiedzieć, posługując się jedynie dedukcją. Odpowiedzi nie mógł też udzielić geolog.

Nie tylko Bastin i Greer spekulowali na temat możliwości istnienia podziemnego życia o bardzo starych korzeniach. Przed I wojną światową mikrobiolodzy w Niemczech rozpoczęli badania w swoich najgłębszych kopalniach węgla kamiennego. Szukali bakterii zamieszkujących warstwy węglowe, chcąc sprawdzić hipotezę, że takie organizmy mogłyby być żywymi skamieniałościami bakterii, które 300 milionów lat temu zamieszkiwały torfowiska potem zmienione w pokłady węgla. Dlaczego ówcześni mikrobiolodzy wierzyli w to, że bakterie mogą być takie długowieczne? Jeden z nich, Charles Bernard Lipman z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, pisał w artykule opublikowanym w 1931 roku w "Journal of Bacteriology":

Od kiedy rozpocząłem badania, byłem wiele razy pytany, co skłoniło mnie do rozpoczęcia takich poszukiwań, skoro jedyną rzeczą, jakiej należało się po nich a priori spodziewać, był wynik negatywny. Odpowiedź jest taka, że w ciągu 20 lat poprzedzających moje eksperymenty nagromadziło się wiele dowodów na to, że bakterie i ich przetrwalniki są bardzo odporne i, jak pokazują znane mi przykłady, potrafią przetrwać nawet 40 lat. Patogeny wyhodowane z bardzo starych przetrwalników nic nie traciły ze swojej zjadliwości, a bakterie uwolnione z butelek, w których były zamknięte przez cztery dekady wraz z próbkami gleby, szybko odzyskały żywotność. Jedno i drugie dało mi wiele do myślenia1.

Wiele jednak bakterii pozyskanych z pokładów węgla kamiennego i ropy naftowej w latach dwudziestych i trzydziestych XX wieku, w tym wytwarzające przetrwalniki bakterie Lipmana, zostało zdyskwalifikowanych - były to współczesne zanieczyszczenia, które przywędrowały z powierzchni. Działalność wiertnicza lub górnicza nie jest sterylna. I nigdy nie będzie. Niezrażeni tymi trudnościami mikrobiolodzy donosili o znalezieniu bakterii wytwarzających alkany, co zachęciło ich do spekulowania na temat bakteryjnej genezy pokładów ropy. Geolodzy odrzucali jednak tę ideę, przede wszystkim dlatego, że preferowali swój geologiczny model, który powstanie ropy tłumaczył całkiem wiarygodnie termiczną przemianą martwej materii organicznej. Model ten miał bardzo solidne podstawy. Opierał się na uważnej obserwacji tego, kiedy i gdzie w zapisie geologicznym ropa tworzyła się i dokąd migrowała, a także na rozumowaniu indukcyjnym opierającym się na założeniu, że do powstania złóż ropy naftowej i gazu ziemnego może dojść po spełnieniu pewnych uniwersalnych warunków, niezależnie od lokalizacji i epoki geologicznej. Podziemne bakterie były zwyczajnie zbędne przy wyjaśnianiu genezy tych surowców. W następnych dekadach mikrobiolodzy od czasu do czasu informowali o odkryciu bakterii pochodzących z głębin skorupy ziemskiej, ale za każdym razem ich doniesienia odrzucano, twierdzono bowiem, że to, co znaleźli, to zanieczyszczenie z powierzchni. W latach pięćdziesiątych XX wieku jedynymi, którzy uparcie obstawali przy istnieniu podziemnego życia i kluczowej roli bakterii w powstawaniu wielu ważnych ekonomicznie złóż surowców, byli mikrobiolodzy radzieccy. Na początku kolejnej dekady ukuli nawet termin "mikrobiologia geologiczna", którą zajmowali się geomikrobiolodzy2. Jednakże nic mi nie wiadomo o kolejce badaczy chętnych, by stać się geomikrobiologami. W latach siedemdziesiątych nawet mikrobiolodzy zajmujący się organizmami glebowymi uważali, że "głębokość jest jeszcze jedną drugorzędną zmienną środowiskową kontrolującą bakterie. W umiarkowanych strefach klimatycznych niemal wszystkie te organizmy żyją do głębokości metra, a przeważnie w najwyższych kilku centymetrach gleby"3. Wśród geologów i mikrobiologów rozpowszechniony był pogląd, że każda bakteria próbująca przetrwać w mikroskopijnych szczelinach i porach skalnych odciętych od świat­ła słonecznego musiałaby cały czas walczyć o życie, a ocaleć mogłaby tylko dzięki skromnym i okazjonalnym dostawom materii organicznej docierającej z wyżej położonego poziomu glebowego.

W tym czasie znaleziono pierwsze społeczności organizmów zamieszkujące czarne kominy hydrotermalne (black-smoker vents) na dnie Oceanu Spokojnego nieopodal wysp Galapagos, gdzie, jak wiemy, świat ujrzała darwinowska teoria ewolucji napędzanej doborem naturalnym. Przed odkryciem rurkoczułkowca Riftia pachyptila zamieszkującego oceaniczne kominy hydrotermalne nikt nawet nie wyobrażał sobie, że tak złożone organizmy i ekosystemy mogą funkcjonować w kompletnych ciemnościach na dnie oceanów wyłącznie dzięki chemicznej diecie. A jednak wiele kilometrów pod powierzchnią mórz jest, jak się okazuje, wystarczająco dużo miejsca do rozwoju takich ekosystemów. Mimo to wciąż wydawało się kompletnie nieprawdopodobne, aby złożone ekosystemy mogły egzystować w drobnych porach skalnych setki metrów pod ścianami Yosemite, lasem równikowym Amazonii, pustynnymi wydmami Sahary, lądolodem Antarktydy czy też polami pszenicy w Kansas. W latach siedemdziesiątych XX wieku uważano powszechnie, że z wyjątkiem paru płytkich warstw wodonośnych, głębsze poziomy naszej planety są generalnie środowiskiem sterylnym. Po prostu brakuje tam miejsca i energii, aby podtrzymać życie przez dłuższy czas.

Taki pogląd działał pod wieloma względami jak środek uspokajający. Weźmy choćby Komisję Energii Atomowej (AEC, Atomic Energy Commission), poprzedniczkę Departamentu Energii USA (US DOE ), której decyzje sprawiły, że warstwy skalne pod kompleksami badawczymi zostały zanieczyszczone wielką ilością materiałów radioaktywnych przeznaczonych dla pocisków jądrowych. Te zanieczyszczenia tworzyły trującą miksturę złożoną z rakotwórczych związków organicznych, toksycznych metali i izotopów promieniotwórczych. Modelowanie reakcji geochemicznych i transportu hydrologicznego tych zanieczyszczeń, bez uwzględnienia w tym rachunku biologii, było bez wątpienia prostsze w erze komputerów programowanych za pomocą kart perforowanych. Od wczesnych lat pięćdziesiątych XX wieku głowice te były również detonowane przez AEC pod ziemią na poligonie w Nevadzie. Gdy w 1963 roku John F. Kennedy, Nikita Chruszczow i Harold Macmillan podpisali Układ o zakazie prób broni nuklearnej w atmosferze, w przestrzeni kosmicznej i pod wodą, próby podziemne stały się jedynymi dozwolonymi na terenie USA. W konsekwencji AEC nabrała takiego doświadczenia w przeprowadzaniu testów broni A, że w stanach Nowy Meksyk i Kolorado zaczęto ich dokonywać także po to, by ułatwić pozyskiwanie gazu ziemnego z masywnych, pozbawionych spękań skał - projekt ten nosił nazwę Lemiesz (Plowshare Program). Dziś nazwalibyśmy pewnie tę metodę "szczelinowaniem nuklearnym", ale na szczęście zaniechano jej stosowania. US DOE bardzo intensywnie zajmował się także poszukiwaniem i wskazywaniem dogodnych miejsc do ukrycia odpadów radioaktywnych w podziemnych kawernach solnych, w granitach i bazaltach. Tak samo robiły inne kraje. Te formacje skalne miały przechowywać atomowe śmieci przez setki tysięcy lat. Modele nie brały pod uwagę, że podziemne formy życia i odpady radioaktywne mogą na siebie wzajemnie oddziaływać. Uwzględnienie takiego scenariusza znacznie utrudniłoby przewidywania.

W połowie lat osiemdziesiątych XX wieku naukowcy uczestniczący w mało znanym szerszej publiczności projekcie Subsurface Science Program (SSP), realizowanym przez US DOE i kierowanym przez Franka J. Wobbera, zaczęli jednak twierdzić, że podziemia nie są wcale sterylne, ale zamieszkują je liczne i zróżnicowane społeczności bakterii i eukariontów (grzybów i protistów). Inaczej niż w przypadku wcześniejszych badań, naukowcy pracujący w ramach SSP opracowali wiele fizycznych i chemicznych znaczników umożliwiających identyfikację mikrobiologicznych zanieczyszczeń naniesionych z powierzchni. Byli przekonani, że wszędzie w skałach napotykają rdzenne formy bakterii. Twierdzili, że znaleźli je nawet w skałach triasowych leżących 3 kilometry pod polem ornym w Wirginii. Doszli do wniosku, że bogactwo tego podziemnego życia dorównuje powierzchniowemu, i wkrótce zaczęli mówić o podziemnej biosferze. Doniesienia te odbiły się szerokim echem w mediach, które uznały je za równie intrygujące i fantastyczne jak powieść Juliusza Verne'a o wyprawie do wnętrza Ziemi. Społeczność naukowa była skrajnie nieufna wobec twierdzeń badaczy rządowych i ich lidera. Znaczenie odkrycia pomniejszano. Jednak mikrobiolodzy z SSP wyizolowali tysiące gatunków bakterii mieszkających głęboko pod ziemią. Chcieli je wykorzystać do usunięcia toksycznej schedy po zimnej wojnie - schedy, która zaczynała przenikać z podziemi laboratoriów broni nuklearnej do warstw wodonośnych stanowiących źródło wody dla okolicznej ludności. Było w tym sporo ironii, że projekt badawczy realizowany przez US DOE nie tylko doprowadził do odkrycia "głębokiej biosfery", ale również liczył teraz na jej pomoc, podczas gdy poprzedniczka DOE, czyli AEC, w czasie wybuchów atomowych uśmierciła niechcący tryliony bakterii w ich podziemnych domach. Naukowcy z projektu SSP odkryli też, że źródłem energii dla tych społeczności podziemnych mikroorganizmów jest wodór (H2), uwalniany podczas wietrzenia minerałów zawierających żelazo (Fe) poddanych działaniu wody. Niedługo potem naukowcy zaczęli odnajdywać podziemne ekosystemy w każdym zakątku globu. Niektóre z nich znajdowały się nawet 5 kilometrów pod powierzchnią i czerpały energię z promieniowania jonizującego. Inne żłobiły olbrzymie jamy pod grzbietami górskimi. Kolejne tkwiły w lądolodzie Antarktydy na głębokości wielu setek metrów. Półtora kilometra pod ziemią odkryto nawet drapieżne, drążące skałę nicienie. Geomikrobiologia doczekała się własnego czasopisma naukowego, a jej przedstawiciele założyli stowarzyszenie mikrobiologii podpowierzchniowej.

ŻYCIE POD POWIERZCHNIĄ INNYCH PLANET

Dziś jako geomikrobiolog spoglądam na skały jak na mikrokosmos maleńkich organizmów, z których część zamieszkuje swoje geologiczne domostwa od chwili ich powstania przed setkami milionów lat. Gdy patrzy się na powierzchnię Marsa, można odnieść wrażenie, że kiedyś był to świat gościnny dla życia. Teraz jednak na jego powierzchni nie istnieje życie, jakie znamy. Nieodłącznie nasuwa się pytanie, czy Mars, który mógł mieć kiedyś biosferę powierzchniową, wciąż może mieć biosferę ukrytą głęboko pod powierzchnią, tak jak Ziemia. Czy to możliwe, aby pod powierzchnią Marsa istniało życie? Gdybyś publicznie zadał takie pytanie w XVI wieku, mógłbyś spłonąć na stosie, jak włoski dominikański mnich i filozof Giordano Bruno. Ponad 100 lat temu Percival Lowell przekonywał, że na Marsie dostrzegł dowody istnienia pozaziemskiej cywilizacji, ale jego optyczne złudzenie rozwiało się, wraz z jego wiarygodnością jako naukowca, w ciągu następnych 15 lat. W 1901 roku Herbert George Wells, żyjący w tych samych czasach co Lowell, napisał powieść Pierwsi ludzie na Księżycu, w której powołał do życia wysoko rozwiniętą cywilizację owadokształtnych istot zwanych Selenitami żyjących pod powierzchnią Księżyca. Od tego czasu idea podziemnych cywilizacji powracała wielokrotnie w powieściach i filmach z dziedziny fantastyki naukowej, także w niektórych odcinkach seriali Star Trek i Star Trek: Następne pokolenie. Czy jednak istnieją jakiekolwiek naukowe podstawy na jej potwierdzenie? Bez wątpienia jest prawdą, że jeśli na Księżycu lub na Marsie wykonamy odwierty o głębokości wielu kilometrów, dotrzemy do temperatury, w której woda, podstawowy składnik znanego nam życia, może występować w stanie ciekłym. Czy jednak życie może przetrwać wiele kilometrów pod powierzchnią globu, skoro sama powierzchnia jest temu życiu nieprzychylna? Za sprawą dokonanego przez grupę SSP w 1996 roku odkrycia, że H2 generowany ze skał i wody może podtrzymywać tak głęboki ekosystem, wydaje się, że odpowiedź brzmi: tak. Hipoteza życia pod powierzchnią Marsa przestała być zarezerwowana tylko dla świata fantastyki naukowej, a jej weryfikacja mogła się stać realnym i możliwym do wykonania zadaniem dla kolejnych marsjańskich sond. Agencja kosmiczna NASA szybko rozpoczęła pracę nad zaprojektowaniem systemu wiertniczego, który można by wysłać na Marsa.

Cała ta opowieść może wyglądać trochę jak scenariusz filmu fantastycznonaukowego klasy B, który nie byłby specjalnie trudny do napisania. Jest jednak faktem historycznym, że na przestrzeni ostatnich dwudziestu lat doszło do zmiany konsensusu naukowego w kwestii istnienia życia głęboko pod powierzchnią Ziemi i wynikających stąd implikacji dla poszukiwań życia pozaziemskiego. Zamiast niedowierzania mamy ważne wyzwanie naukowe. Jednym z celów tej książki jest opisanie tej istotnej naukowo i filozoficznie przemiany, tak jak to widzą jej zwolennicy, włącznie ze mną.

Przede wszystkim jednak ty i ja zajmiemy się zbadaniem, jakie są granice życia pod powierzchnią naszej planety, oraz poszukiwaniem przeszkód, które mogłyby uniemożliwić istnienie życia pod powierzchnią innych planet, przede wszystkim Marsa. Podczas tej eskapady zabiorę czytelników w miejsca, do których rzadko zaglądają mieszkańcy powierzchni planety. Kiedy będziemy uczestniczyć w tych podziemnych safari, chciałbym, abyś pamiętał o poniższych pytaniach, ponieważ moi koledzy i ja także zadajemy sobie właśnie te pytania, wciąż nie znajdując na nie odpowiedzi.

 

Czy jest możliwe, aby podziemna biosfera pod względem obfitości przewyższała całą biosferę na powierzchni naszej planety?

Jak głęboko w ziemskich skałach mogą występować żywe organizmy?

Jak długo może żyć podziemny mikroorganizm? Czy może przetrwać setki, setki tysięcy, a może miliony lat?

Czy mikroorganizmy mogą czerpać energię życiową, korzystając pośrednio z promieniowania jonizującego?

Jak długo mogą przetrwać ekosystemy pod powierzchnią planety? Miliardy lat? Jeśli tak, to czy takie życie może wciąż istnieć pod powierzchnią Marsa?

Skąd przybyły te podziemne mikroorganizmy i jak się dostały pod powierzchnię globu? Czy mogą one migrować, pokonując pod ziemią setki kilometrów?

Czy życie na Ziemi mogło się narodzić pod jej powierzchnią? Czy tak mogło być na innych planetach?

Czy jest możliwe, że złożone formy życia i złożone ekosystemy istnieją pod powierzchnią każdej planety?

 

Aby było nam łatwiej odpowiedzieć na te pytania, przedstawię obfitość materiałów naukowych zgromadzonych do tej pory.

Rozdział 1 rozpoczniemy od odkryć dokonanych przez grupę SSP, która znalazła bakterie zamieszkujące skały 3 kilometry pod powierzchnią Ziemi. Następnie cofniemy się do wcześniejszych czasów, gdy naukowcy z SSP ruszali ze swoimi wierceniami i zaczynali opracowywać chemiczne znaczniki, dzięki którym mogli dowieść, że podpowierzchniowe bakterie nie są zanieczyszczeniami.

W rozdziale 2 podążymy za grupą SSP do Nowego Meksyku, gdzie wwiercimy się do wnętrza wygasłego wulkanu, a potem do zachodniego Kolorado, gdzie wykonamy wiercenie o głębokości ponad 3 kilometrów, aby dotrzeć do złóż gazu znajdujących się w pobliżu poligonu, na którym przeprowadzano podziemne próby atomowe. Wyruszymy też w pierwszą z naszych podziemnych podróży w stylu Juliusza Verne'a. Odbędziemy ją w Waste Isolation Pilot Plant w pobliżu Carlsbadu w stanie Nowy Meksyk. Będziemy eksplorować solne formacje permskie, szukając inkluzji fluidalnych zawierających wodę morską sprzed 250 milionów lat i - miejmy nadzieję - także żywe bakterie. Dowiemy się też, dlaczego naukowcy zaczęli rozważać możliwość istnienia życia podziemnego napędzanego promieniowaniem jonizującym.

W rozdziale 3 zobaczymy, jak na podstawie dziejów geologicznych globu naukowcy ustalali genezę mikroorganizmów zebranych podczas wierceń wykonanych w ramach projektu SSP. Próbowali wydedukować, jak długo mikroby rezydują w skałach, skąd mogły przybyć i jak długo wędrowały, aby dotrzeć do celu. Spróbujemy wyznaczyć granicę między życiem i śmiercią w przypadku jednokomórkowca, posługując się "śmierciometrem". Wreszcie zapoznamy się z odkryciem litoautotroficznych systemów mikrobialnych (SLiMEs), funkcjonujących dzięki H2 pochodzącemu z bazaltów.

W rozdziale 4 rozstaniemy się z projektem SSP, aby wyruszyć do głębokich kopalń w RPA, na których dnie będziemy usiłowali znaleźć być może bardzo archaiczne ekosystemy mikrobialne zasilane promieniowaniem jonizującym, a także zająć się zagadką pochodzenia ziemskiego życia. Po odkryciu SLiMEs przeniesiemy się na spotkanie zorganizowane przez NASA poświęcone koncepcji wywiercenia otworu na Marsie w poszukiwaniu życia pod jego powierzchnią. Przekonamy się, jak przez przypadek idea ta zyskała na atrakcyjności dzięki doniesieniom o znalezieniu skamieniałych śladów marsjańskiego życia w meteorycie ALH84001.

W rozdziałach 5-8 będziemy eksplorowali labirynt tuneli w bardzo głębokich kopalniach złota w RPA, próbując stawić czoło niezwykłym wyzwaniom badawczym. Przebywając na głębokości grubo ponad 3 kilometrów, uświadomimy sobie, jakie warunki życiowe odpowiadają podpowierzchniowym bakteryjnym termofilom. Wreszcie odkryjemy bakterię Desulforudis audaxviator - niezwykły organizm, który wędruje podziemiami RPA, a energię życiową czerpie z chemicznego akumulatora zasilanego związkami pochodzącymi z rozpadu promieniotwórczego uranu znajdującego się w skałach.

W rozdziale 9 polecimy do Kanady za koło podbiegunowe północne, aby szukać odpowiedzi na pytanie, czy życie może istnieć pod zamrożoną powierzchnią Marsa. Będziemy przemierzali jaskinie lodowe kopalni złota Lupin, aby dotrzeć do słonej wody ukrytej pół kilometra pod tundrą i znaleźć tam chemolitoautotroficzne bakterie, które potrafią pozyskiwać węgiel i azot potrzebne do biosyntezy, metabolizując związki nieorganiczne. Sprawdzimy też, czy realne jest wykonanie odwiertu przez marsjańską wieczną zmarzlinę, aby zobaczyć, czy pod nią kryje się głęboka biosfera.

Ponieważ, jak się przekonamy, wiercenie przez wieczną zmarzlinę nastręcza wielu problemów, w rozdziale 10 zobaczymy, czy łatwiej będzie uzyskać dostęp do podpowierzchniowego życia przez jaskinie. Spenetrujemy głębokie kawerny w stanie Nowy Meksyk, a także w Rumunii i Meksyku, szukając chemolitoautotroficznych organizmów i złożonych ekosystemów. Zobaczymy, jak mikroskopijne organizmy stworzyły sobie własne siedlisko i co z tej wiedzy może wynikać dla planów eksploracji Marsa. Na koniec powrócimy do Afryki Południowej, by zapoznać się z wielokomórkową formą życia - drapieżnym nicieniem Halicephalobus mephisto, czyli robakiem z piekieł żyjącym w skałach blisko 2 kilometry pod powierzchnią Ziemi.

W epilogu dokonamy przeglądu pytań, na które naukowcy znaleźli odpowiedzi, i pytań, na które wciąż odpowiedzi nie ma, a naukowcy zastanawiają się, jak je znaleźć. W każdym rozdziale uwzględniono też kontekst historyczny - opisuję wcześniejsze odkrycia życia podpowierzchniowego, cofając się aż do 1793 roku. To najstarsze doniesienie zostało zlekceważone, ale w świetle nowych ustaleń nabiera sensu. W załącznikach do książki przedstawiam chronologię poszukiwań życia w głębinach skalnych oraz podsumowania seminariów organizowanych przez US DOE. Lokalizacje projektów poszukiwań podpowierzchniowego życia mikrobialnego można znaleźć w dokumencie Google Earth na stronie http://press.princeton.edu/titles/10805.html.

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

PEŁNY SPIS TREŚCI:

PRZEDMOWA

PODZIĘKOWANIA

SKRÓTY

WSTĘP

ROZDZIAŁ 1. PARK TRIASOWY

ROZDZIAŁ 2. SKARB CERRO NEGRO

ROZDZIAŁ 3. ROWERY, BOMBY I ŚMIERCIOMIERZ

ROZDZIAŁ 4. MIKROBY W METEORYTACH. SKĄD PRZYBYŁY? JAK SIĘ TAM DOSTAŁY? CZEGO CHCIAŁY?

ROZDZIAŁ 5. W NAJGŁĘBSZYCH MROKACH AFRYKI

ROZDZIAŁ 6. POLOWANIE NA WODĘ I WĘGIEL

ROZDZIAŁ 7. ZDOBYWCY PODZIEMI

ROZDZIAŁ 8. WIELE PRZESZKÓD I JEDEN UŚMIECH LOSU

ROZDZIAŁ 9. ŻYCIE POD LODEM

ROZDZIAŁ 10. ROBAK Z PIEKŁA RODEM

EPILOG

ANEKS A: CHRONOLOGIA POSZUKIWAŃ PODZIEMNEGO ŻYCIA

ANEKS B: CHRONOLOGIA SPOTKAŃ PROGRAMU SSP

BIBLIOGRAFIA