В глубоких недрах, которые погружаются в землю на многие мили, микроскопические организмы населяют обширные поры и жилы коренных пород. Подземные микроорганизмы, или микробы, составляют до половины всего живого материала на планете и поддерживают существование всех форм жизни в пищевой цепи. Они необходимы для реализации экологически устойчивого будущего и могут изменить химический состав минералов, расщепить загрязняющие вещества и изменить состав подземных вод.

Хотя значение бактерий и архей неоспоримо, единственным свидетельством их существования в глубоких недрах являются следы биологического материала, которые просачиваются сквозь стены шахт, пещерные потоки и буровые скважины, ведущие в водоносные горизонты.

Многие ученые предполагали, что состав микробных сообществ в глубоких недрах в первую очередь определяется местными экологическими факторами, влияющими на выживание микробов, такими как температура, кислотность и концентрация кислорода. Этот процесс, экологический отбор, может занять от нескольких лет до тысячелетий, чтобы вызвать значительные изменения на уровне сообщества в медленно растущих сообществах, таких как недра.

Теперь, когда данные собраны почти на 5000 футов под землей, исследователи из Стэнфордского университета показали, что глубоко подповерхностные микробные сообщества могут измениться за считанные дни, и эти сдвиги могут быть вызваны геологической активностью, а не только давлением окружающей среды. Результаты были опубликованы в прошлом месяце в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

«В глубоких недрах мы больше не можем понимать отбор окружающей среды как доминирующую движущую силу динамики сообщества — это может быть просто изменение скорости потока или движение грунтовых вод через расщелины и трещины в недрах, которые определяют то, что мы наблюдаем». сказал ведущий автор исследования Юран Чжан, проводивший исследование в качестве доктора философии. студент в области энергетики ресурсов.

Заполнение пробелов

Подобно чтению случайной страницы чьей-то биографии из 1000 слов, предыдущие исследования глубоко подповерхностных микробов предлагали лишь проблески хроник их существования. Собирая образцы воды из нескольких геотермальных скважин еженедельно в течение 10 месяцев, исследователи из Стэнфорда показали, как эти популяции могут меняться в пространстве и времени, продемонстрировав первое свидетельство геологической активности как движущей силы изменения микробного сообщества и, следовательно, эволюции.

«Существуют предыдущие исследования состава микробных сообществ в глубоких недрах, но они почти всегда используют образцы из одного момента времени», — сказала геомикробиолог Энн Декас, старший автор исследования и доцент кафедры наук о Земле. «Возможность временных рядов за 10 месяцев, особенно с разрешением по неделям, — это совершенно другая точка зрения, которая позволила нам задать другие вопросы о том, как и почему эти сообщества меняются со временем».

Декас сказала, что, хотя экологи-микробиологи могли догадаться о геологической активности, она была удивлена ​​масштабами изменений в сообществе, которые произошли после изменения сети водотоков.

Скважины и пробирки

Техника, использованная в исследовании, включала обработку образцов из теста потока, проведенного в Сэнфордском подземном исследовательском центре (SURF), бывшем золотом руднике Хоумстейк в Южной Дакоте. Чжан сказал, что опыт перехода от установки проб из скважины к заполненной пробирками лаборатории с ПЦР-машиной в кампусе был «как соединение двух совершенно разных миров», имея в виду, как эта работа объединяет различные области микробной экологии и геотермальной инженерии. .

Анализируя свойства образцов воды, исследователи идентифицировали микробные отпечатки ДНК. Каждая из 132 проб воды содержала десятки тысяч уникальных идентификаторов секвенирования. Эти данные использовались, чтобы показать, что когда происходит геологическая активность, она может быстро смешивать разрозненные биологические сообщества — причем из мест, о которых ранее не было известно, что они связаны между собой.

«Один из дополнительных фрагментов информации из этого микробиологического исследования заключается в том, что мы видели популяции микробов , которые перемещались не только напрямую с места на место, но и как следствие промежуточной сети», — сказал старший автор исследования Роланд Хорн. Томас Дэвис Бэрроу, профессор наук о Земле. «Это так важно с точки зрения резервуара, потому что оно показывает то, что не обнаруживается обычными методами геотермального анализа».

Геология встречается с биологией

Уровень данных, собранных современными геотермальными методами, подобен только доступу к автомагистралям, которые отрезаны от боковых дорог, которые доставят вас домой. По словам Хорна, изучение популяций микроорганизмов открывает возможности для более подробного картирования сложных тонкостей глубоких недр.

Возможность использовать биологию в качестве инструмента может также дать представление о глубоких недрах как границе геологического хранения, такого как ядерные отходы и секвестрация углерода. Но сочетание биологии и геологии требует фундаментальных знаний по обоим предметам.

«В ходе подземного геотермального проекта я понял, что инженеры-разработчики, геологи или геофизики обычно не очень хорошо знакомы с микробиологией», — сказал Чжан, которого совместно консультировали Хорн и Декас. «Есть общеизвестные сведения о геохимии, но не так много о геомикробиологии».

Эта работа может иметь смысл даже за пределами земных дисциплин: если некоторые из древнейших форм жизни в глубоких недрах Земли могут изменяться и диверсифицироваться из-за геологической активности, возможно, мы можем иметь аналогичные ожидания в отношении происхождения и диверсификации жизни на других тектонических поверхностях. планетарные тела.

«То, что мы наблюдаем, потенциально может быть связано с ранней историей эволюции жизни», — сказал Чжан. «Если геологическая активность является движущей силой формирования или диверсификации ранней жизни, то, возможно, нам следует искать внеземную жизнь на геологически активных планетах».