Megeszi a kőzeteket a Föld eltemetett élővilága

Akármilyen mélyre fúrtak, eddig mindig találtak élőlényeket a kőzetekben. Becslések szerint a kontinentális kéregben körülbelül négy, az óceániban pedig hét kilométer mélységig lehetnek jelen azok a szívós és különleges egysejtűek, amelyek a Föld eltemetett élővilágát alkotják. A mélységi bioszféra - amelynek tömege nagyobb lehet, mint a felszínié - különösen figyelemre méltó tagjai az ásványokat táplálékforrásként használó baktériumok.

A felszín alatti mikrobiológia modern korszakának kezdetét 1986-ra tehetjük. Az USA energiahivatala ekkor kezdte meg a mélységi fúrásokat a dél-karolinai Savannah folyónál. Három 200 méter mély lyukat fúrtak, és a fúrások közben figyelték a mélyből előkerülő kőzeteket szennyező anyagokat, továbbá a mikrobákat is. A fúrások során rendkívül nagy egyedszámú és sokféle fajból álló mikroba-közösségek létére derült fény, amelyek a felszín alatti víztároló kőzetekben tenyésztek.

Azóta már sokkal mélyebben is találtak baktériumokat, amelyek elterjedésének inkább a hőmérséklet, mint a nyomás szab határt. A jelenlegi legmélyebb fúrások során nagyjából 3 kilométeres mélységig hatoltak le, és eddig még mindig találtak élőlényeket. Az általuk elviselt hőmérséklet felső határát 110 Celsius-foknak tekintve a kontinentális kéregben körülbelül 4 kilométer, óceániban pedig mintegy 7 kilométer mélységig lehetnek jelen. Hogyan tudnak megélni a földkéregben, mivel táplálkoznak, miből nyerik az energiájukat?

Kőzeteket esznek

A nagy mélységekben szélsőséges viszonyok - nagy nyomás és magas hőmérséklet - uralkodnak. Ezeket a különleges körülményeket elviselő, sőt kedvelő élőlényeket extremofil szervezeteknek nevezzük. Ezek zömében egyszerű szerveződési szintű, sejtmaggal nem rendelkező élőlények: baktériumok és úgynevezett Archaeák (baktériumokhoz hasonló, ősi eredetű egysejtűek, rendszertani helyzetüket lásd az ábrán). Az extremofil fajok egyik csoportját az úgynevezett endolitikus élőlények alkotják, amelyek a kőzetek belsejében, a saját maguk által "vájt" résekben vagy a kőzetek repedéseiben találhatók. Ezek közül kerülnek ki az "ásványokkal táplálkozó-lélegző" fajok.

Archaeák és az élővilág háromdoménes rendszere

Az élővilág három nagy birodalma (doménje). A rendszert Carl Woese dolgozta ki a múlt század második felében. Az élővilág filogenetikus osztályozásának legmagasabb egységeit az archaeák (Archaea), a baktériumok (Bacteria) és az eukarióták alkotják.

Az archaeák és a baktériumok csoportja a korábbi prokarióták kettéválasztásával jött létre. Az archaeák felépítése hasonló a baktériumokéhoz, de elkülönítésüket számos jellemzőjük indokolja. Ezek közé tartozik például, hogy genetikai anyaguk átírása (transzkripció) és "lefordítása" (transzláció) sok szempontból az eukarióta szervezetekben megfigyeltekhez hasonló, valamint az archaeák lipidjeinek szerkezete eltér mind a baktériumokban, mind az eukariótákban található lipidekétől. Az archaeákra korábban szinte kizárólag extrém - például szélsőségesen forró, oxigénhiányos - környezetekben bukkantak rá, de a tudósok újabban egyre több "normális" környezetben élő archaeát fedeznek föl.

Napjainkban két nagy fúróprogram, a Nemzetközi Kontinentális Fúróprogram (International Continental Drilling Program, ICDP) és az Integrált Óceánfúrási Program (Integrated Ocean Drilling Program, IODP) folyik, amelyek célja többek között a mélységi bioszféra tanulmányozása. A két csoport egyelőre önállóan működik, de esetleges egyesítésük új távlatokat nyithatna meg közös tengeri-szárazföldi expedíciók és a felszín alatti élet kutatása előtt.

A mikrobiológia egyik legnagyobb kihívása

Márialigeti Károly, az ELTE Mikrobiológiai tanszékének vezetője az [origo] kérdésére elmondta, hogy ezeknek a litotróf baktériumoknak a kutatása az egyik legnagyobb kihívás a mai mikrobiológiában. Nem a baktériumok molekuláris eljárásokkal történő érzékelése okozza az igazi nehézséget, hanem a tenyésztésük és az aktivitásuk pontos feltérképezése. A mélységi bioszféra tanulmányozásának egyik legnagyobb akadálya, hogy a mélyből fölhozott egysejtűeket nem lehet laboratóriumi körülmények között tenyészteni. Ez általában még akkor sem sikerül, ha megpróbálják szimulálni az eredeti élőhelyen fennálló viszonyokat. Nagy lendületet adhatna a kutatásoknak, ha megvalósulna az amerikaiak ambiciózus terve egy föld alatti laboratórium létrehozására. A Mély Földalatti Tudományos és Mérnöki Laboratórium (Deep Underground Science and Engineering Laboratory, DUSEL) létrehozását 2,4 kilométer mélységben tervezik a már fölhagyott dél-dakotai Homestake aranybányában.

A mélységi laboratóriumok hiánya ellenére is kezdjük megismerni a kőzetekben élő (endolitikus) baktériumok anyagcsere-folyamatait. A légzéshez ásványokat használó baktériumok titkát például nemrég fejtették meg a kutatók. A gondolat, hogy ásványi anyagokat lélegezzünk számunkra borzongatónak tűnik, a baktériumok mégis ezt csinálják évmilliárdok óta. A (sejt)légzés vagy respiráció - biokémiai tekintetben - az a folyamat, amelynek során az élőlény oly módon nyer energiát, hogy elektronokat továbbít molekulák között (egy elektrondonortól egy elektronakceptorra, lásd az ábrán). Ez az elektrontranszfer jellemzően a sejtmembránba ágyazott légzési láncon (elektrontranszport-láncon) megy végbe. Specifikus molekulák adják át az elektronokat a lánc egyik végéről a másikra, és ezzel energiakülönbséget hoznak létre a membrán két oldala között, amely fölhasználható "munkavégzésre" (amilyen például a kémiai energia előállítása adenozin-trifoszfát formájában és felhasználása a sejt szerves anyagainak felépítésére).

Elektrontranszfer az Acidithiobacillus ferrooxidans vasásványt "lélegző" baktériumban. A Fe(II) Fe(III) ionná oxidálódik a sejt felszínén lévő fehérjék közreműködésével. Ezek a fehérjék továbbítják az elektronokat a Fe(II) ionoktól a légzési lánc többi alkotórésze irányába, aminek következtében a sejtmembrán energiával töltődik fel. Ezt az energiát használja a baktérium a növekedéshez és más sejtfunkció ellátásához szükséges anyagcseretermékek előállításához

A légzés sikeréhez jelen kell lennie egy végső elektronakceptornak, amilyen - az ember esetében kizárólagosan - például az oxigén, hogy fölvegye az elektronokat. A baktériumok által légzéshez használt terminális elektronakceptorok zöme (oxigén, nitrát, szulfát) vízben oldható. Így könnyen bejutnak a sejtmembránba és átveszik a membránban kötött molekuláktól az elektronokat. Más a helyzet a vízben oldhatatlan ásványokkal (például hematittal - Fe₂O₃, vagy goethittel - FeOOH) lélegző mikrobáknál. Amerikai kutatóknak sikerült bizonyítani, hogy a Shewanella baktérium a sejt külső membránjába irányít speciális fehérjéket, ahol ezek közvetlenül érintkeznek a fémvegyületekkel. A fehérjék ezután megkötik a fémoxidokat, s ezeket a baktérium ugyanúgy használja fel, ahogy mi a belélegzett oxigént. A légzés folyamán az ásványok átalakulnak, így a mikroorganizmusok hozzájárulnak a kőzetek ásványi összetevőinek átformálásához, szétmállásához.

A felszíni és a mélységi bioszféra kapcsolata

Márialigeti Károly elmondta: a Shewanella nemzetségbe tartozó baktériumok egyfajta kapcsolatot jelentenek a felszíni környezetekben és a nagy mélységekben előforduló mikrobaközösségek között. A vizsgálatok alapján egyre nagyobb mélységben megismerjük azokat a folyamatokat, amelyeket a mikrobák végeznek az ércesedésekben - akár a kőzetek ásványi alkatelemeinek oldásához, akár kiválásához hozzájárulva. Egyre több kutató győződik meg arról, hogy a kőzetburok legfelső, mintegy 5 kilométeres rétege finomszerkezetének alakításában döntő szerepet játszanak a (mikro)biológiailag befolyásolt történések.

A kutatásoknak evolúciós vonatkozásai is vannak. Az utóbbi években a földkéregben, illetve az óceánok mélyén felfedezett gazdag extremofil-társulások alapján megdőlni látszik az a hagyományos nézet, amely szerint a legelső élőlények az ősóceánok felső rétegeiben vagy meleg felszíni pocsolyákban tenyésztek, inkább mélyen a felszín alá helyezik őket, például a forró vulkáni kőzetek hasadékaiba, ahol bőségesen találhattak maguknak ként, vasat, hidrogént és szenet. A genetikai bizonyítékok alapján a hő- és mélységkedvelők kétségtelenül a legközelebb esnek az élővilág egyetemes őséhez.

Az ALH84001 marsi meteoritban (kis kép) talált, baktériumra emlékeztető képlet elektronmikroszkópos képe

Az extremofilek vizsgálati eredményei alapján új ötleteket kapunk, hogy más égitesteken (egyelőre a Naprendszerben) hol kell keresnünk az élet nyomait, és mit kell keresnünk az űrkutatás során egyre jobban megismert szélsőséges környezetekben. Segítségükkel megtudhatjuk, melyek azok az alaktani, geokémiai, esetleg biokémiai jegyek, amelyek életre utalhatnak; melyek az élet azon alapvető jellemzői, amelyek elég általánosak és biztonsággal kimutathatók, milyen műszerekkel kell felszerelnünk a jövő űrszondáit, milyen módszereket kell alkalmaznunk, hogy sikerrel kutathassunk a Földön kívüli élet után. Nem kizárt például, hogy ha a Marsnak korábban volt felszíni bioszérája, akkor az éghajlat hidegggé és szárazzá válása után a felszín alá húzódott, és ma is ott tenyészik.

***

Rovatunk már a Facebookon és a Twitteren keresztül is elérhető, ahol extra tartalmakat is kínálunk.