Antichi batteri da quasi due miglia sotto la superficie terrestre: questo è ciò che per prima ha attirato Tullis Onstott per iniziare la sua ricerca di vita nei luoghi più improbabili. Il geomicrobiologo aveva appena partecipato a una riunione del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti del 1992 sulle rocce che si stima abbiano più di 200 milioni di anni, più vecchie della maggior parte dei dinosauri. Queste rocce preistoriche sono state rinvenute da un pozzo di esplorazione del gas e si sono rivelate piene di batteri.
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"È stato davvero fantastico per me", afferma la Onstott dell'Università di Princeton. "L'idea che questi batteri vivessero in queste rocce triassiche da quando erano stati depositati in un periodo precedente all'età dei dinosauri, quell'idea ha catturato la mia fantasia", dice.
Queste rocce sono state tra le prime prove sostanziali che la vita esisteva miglia sotto terra e hanno dato il via agli sforzi dei ricercatori per studiare la vita nel cosiddetto sottosuolo profondo. Negli ultimi 20 anni, Onstott e altri hanno scoperto che esiste una maggiore varietà di vita in luoghi molto più inospitali di quanto chiunque avesse immaginato.
La vita profonda è stata trovata in tutto il mondo e in una varietà di condizioni: nei campi petroliferi e nelle miniere d'oro, sotto le calotte glaciali della Groenlandia e dell'Antartide e in sedimenti e rocce sotto il fondo dell'oceano. Questi luoghi possono essere ambienti estremamente ostili, con pressioni da 10 a 100 volte superiori a quelle in superficie. Le temperature possono variare dal quasi congelamento a oltre 140 gradi Fahrenheit.
Un miglio o più sotto la superficie non c'è luce solare e pochissimo ossigeno. In questi ambienti austeri, le creature devono grattarsi la vita su qualunque energia possano raccogliere dall'ambiente circostante. Ciò significa che il ritmo della vita laggiù a volte può essere incredibilmente lento. Questi microbi possono essere mille o milioni di volte meno abbondanti dei loro fratelli fuori terra. E alcuni potrebbero essere in circolazione da centinaia, migliaia o addirittura milioni di anni: veri e propri microscopici Methuselah.
Queste creature del profondo sono diverse, costituite da batteri e altri organismi monocellulari chiamati archaea. Ci sono persino animali pluricellulari a miglia sotto la superficie, inclusi minuscoli vermi chiamati nematodi.
"Ciò che è stato sorprendente mentre continuiamo a esplorare questo universo nascosto, è che è più complesso laggiù di quanto avremmo potuto immaginare quando abbiamo iniziato a guardare i campioni Triassic negli anni '90", afferma Onstott.
Questa complessità ha aperto un mondo di possibilità per i ricercatori, dalla pulizia dei rifiuti tossici alla ricerca di vita extraterrestre. Alcuni di questi organismi profondi si nutrono direttamente di metalli e minerali e possono influenzare le acque sotterranee aumentando o diminuendo i livelli di arsenico, uranio e metalli tossici. Gli scienziati sperano che questi batteri possano presto essere adattati per intrappolare o rimuovere tali sostanze nocive da cose come l'acqua di scarico che fuoriesce da una miniera.
Ma forse la cosa più allettante è l'idea che le condizioni del sottosuolo siano così aliene da fornire ai ricercatori indizi su dove trovare la vita extraterrestre e su come potrebbe essere la vita.
"Si riferisce direttamente al fatto che la vita potrebbe esistere sotto la superficie di Marte", afferma Onstott. "Questo è davvero ciò che mi ha spinto in questo campo fin dall'inizio, ed è ancora un driver per me."
Tra gli ambienti estremi e la relativa scarsità di organismi, i ricercatori fanno di tutto e di più per studiare questi microbi. Si avventurano in miniere e caverne o usano i trapani per estrarre campioni da siti terrestri o del fondo oceanico. In alcune aree possono essere necessari diversi giorni per ottenere anche un solo campione. "Andare alle estremità della terra e perforare, o andare nell'Artico e andare sottoterra per un miglio per ottenere un campione, non è facile", afferma Onstott.
Sondare le profondità infernali
Quasi un miglio sotto la superficie terrestre, in profondità nella Beatrix Gold Mine del Sudafrica, Maggie Lau cerca la vita. È caldo e umido, e solo i proiettori violano l'oscurità mentre Lau, un geomicrobiologo del gruppo di Onstott all'Università di Princeton, raccoglie l'acqua dai pozzi. Questi sono buchi praticati nella roccia dai geologi in cerca di sacche di gas e acqua prima delle operazioni di estrazione. Lau riempie un assortimento di fiale con campioni di gas e acqua che variano in volume da meno di un cucchiaino da tè a poco più di due pinte.
Maggie Lau raccoglie l'acqua del pozzo in una fiala a più di due miglia sotto la superficie terrestre nella miniera d'oro di TauTona in Sudafrica. (Francois Vermeulen (Geosciences Manager, AngloGold Ashanti Limited)) Il gas che Lau raccoglie può rivelare quanto sia antica l'acqua. "I campioni che sto studiando hanno circa 40.000 a 80.000 anni", dice. L'acqua potrebbe aver avuto origine in superficie e gocciolare attraverso fessure per migliaia o addirittura milioni di anni, portando con sé i microrganismi dalla superficie o dalle regioni meno profonde del sottosuolo.
A differenza dell'acqua, Lau prende un percorso più rapido e più drammatico per il sito di ricerca. Si dirige verso un pozzo di miniera in una gabbia di sollevamento - che cade quasi un miglio in meno di un minuto - e quindi cammina un miglio o più con uno zaino carico. Alcuni tunnel richiedono ai ricercatori di strisciare, trascinando i loro zaini dietro di loro o di guadare attraverso l'acqua alta fino al ginocchio o alla coscia in sezioni allagate. Di tanto in tanto la gabbia dell'ascensore non è disponibile dopo una dura giornata di lavoro, e Lau e Onstott devono risalire le scale. "Stavamo scherzando sul fatto che questa era come una scala per il paradiso", dice.
Nelle profondità infernali, dove l'acqua può raggiungere i 130 gradi Fahrenheit e le rocce stesse sono spesso calde al tatto, non c'è molta vita da trovare. Per raccogliere quante più cellule viventi possibile per la sua analisi, Lau lascia alcune delle sue fiale per filtrare da centinaia a migliaia di litri d'acqua per alcune settimane o alcuni mesi.
A circa un miglio sotto la superficie, Lau di solito riesce a trovare da 1.000 a 10.000 cellule in meno di un cucchiaino di acqua. Potrebbe sembrare molto, ma un pizzico di terra dal tuo cortile può contenere da 100.000 a un milione di volte più cellule. In siti a più di un miglio di profondità, potrebbero esserci solo 500 cellule per cucchiaino di acqua. Lau stima che avrebbe dovuto filtrare l'acqua continuamente per 200 giorni per ottenere abbastanza DNA e RNA per la sua analisi.
Può essere difficile coltivare specie batteriche in laboratorio senza conoscere il cibo specifico che mangiano o le condizioni precise in cui prosperano. Gli scienziati sono stati in grado di far crescere solo circa l'uno percento dei batteri che trovano nei loro campi profondi. Di conseguenza, la maggior parte delle specie sono conosciute solo dalle loro uniche firme molecolari e il sequenziamento di DNA o RNA ha rivelato una pletora di batteri precedentemente non identificati nei campioni raccolti dagli scienziati laggiù.
Questo video time-lapse mostra i ricercatori che raccolgono campioni all'interno di una miniera d'oro sudafricana. (di Gaetan Borgonie)Più di recente, Lau sta facendo un passo oltre lo scoprire cosa vive laggiù: vuole sapere cosa fanno per vivere. Senza la luce solare e le piante che intrappolano l'energia del sole attraverso la fotosintesi, questi batteri viventi devono sopravvivere grazie all'energia delle reazioni chimiche tra rocce e acqua. Queste reazioni possono produrre idrogeno, metano e solfati e gli scienziati hanno pensato che queste tre sostanze chimiche avrebbero alimentato la maggior parte dei batteri che vivono in questi ambienti profondi.
Con sua sorpresa, Lau scoprì che non era così. Invece, i prodotti chimici sostengono solo una minoranza dei batteri, che quindi producono zolfo e nitrati. I batteri che si nutrivano di queste sostanze chimiche secondarie dominavano in questi ambienti.
Ciò significa che quando cercano la vita profonda sulla Terra o su altri mondi, gli scienziati dovrebbero cercare una gamma più ampia di reazioni metaboliche. “Non concentrarti solo sui pochi processi principali. Dovremmo avere una mentalità più aperta per guardare al panorama metabolico completo e completo ", afferma Lau.
"Essere in grado di vedere davvero quello che stanno facendo laggiù ora è assolutamente la cosa più eccitante, qualcosa che abbiamo sempre voluto fare e cercare di capire come fare negli ultimi 20 anni, e ora possiamo finalmente fallo ", dice Onstott.
"La prima istantanea di [Lau's], è come recuperare la prima immagine da Marte o qualcosa del genere, è incredibile", aggiunge.
Uno zoo vero
Dove c'è preda, di solito ci sono predatori. E i batteri fanno un pasto gustoso per molte creature.
Quando Gaetan Borgonie venne a sapere di questi batteri profondi, si chiese se fosse in grado di trovare vermi chiamati nematodi, che si nutrono di batteri, negli stessi luoghi sotterranei. Borgonie, zoologa di Extreme Life Isyensya a Gentbrugge, in Belgio, aveva lavorato su questi vermi per 20 anni. Sapeva che i nematodi potevano sopravvivere a una vasta gamma di condizioni in superficie, comprese temperature estremamente calde o fredde e livelli di ossigeno molto bassi, quindi in teoria erano adatti a condizioni in profondità nel sottosuolo.
Borgonie chiamò Onstott, che lo invitò a venire a esplorare le miniere in Sudafrica. Ma trovare questi worm non è stato facile. Sebbene siano molto abbondanti in superficie, nelle miniere Borgonie ha dovuto campionare più di 2.500 litri d'acqua per trovare un singolo nematode. "Devi davvero cambiare la tua mentalità e lasciare ciò che sai dalla superficie, perché l'underground è un pianeta diverso", dice.
Borgonie scoprì un gran numero di nematodi che vivevano nelle miniere in acqua dai 3000 ai 12000 anni dai pozzi, così come nelle stalattiti che pendevano dai tunnel della miniera. Questi includevano una nuova specie trovata quasi un miglio sotto la superficie e un altro verme non identificato che viveva più di due miglia più in basso. Questi animali furono la prima prova della vita multicellulare ed eucariotica così profonda, dice Borgonie.
A differenza dei batteri unici trovati a queste profondità, la stragrande maggioranza dei vermi apparteneva a specie trovate in superficie. "Questi animali sono già abituati allo stress e quelli opportunistici in superficie fanno molto bene sottoterra", afferma Borgonie.
Gli ambienti profondi potrebbero effettivamente offrire alcuni vantaggi, date le condizioni stabili e la mancanza di predatori per i worm. "Per loro è come una vacanza", afferma Borgonie.
Le frecce bianche indicano i batteri trovati nei biofilm nell'acqua del pozzo della miniera d'oro di Kopanang in Sudafrica. (Gaetan Borgonie) Convinto che nelle miniere debbano esserci più creature del genere, Borgonie lasciò la sua attrezzatura di campionamento nella miniera d'oro di Driefontein in Sudafrica per due anni per filtrare più di tre milioni di litri d'acqua, abbastanza da riempire quasi cinque piscine olimpioniche.
"Questo è quando abbiamo trovato l'intero zoo", dice Borgonie. Ha identificato diversi altri organismi pluricellulari, tra cui vermi piatti e vermi segmentati, nonché quello che sembrava essere un crostaceo. Quasi tutte queste specie sono sopravvissute mangiando batteri.
La scoperta di questi organismi è incoraggiante per gli scienziati in cerca di vita extraterrestre, afferma Borgonie. "Penso che sia molto bello trovare un enorme ecosistema sotterraneo", afferma. "Se possiamo dimostrare che possono sopravvivere indefinitamente sottoterra, allora potrebbe essere un'ottima notizia per le persone che cercano la vita su Marte."
"Mi piacerebbe molto [fare questo] questo lavoro sul pianeta Marte", afferma. "Ecco perché dico sempre, se mai mi danno un biglietto di sola andata per Marte, me ne vado."
The Alien Deep
Borgonie potrebbe non avere ancora il suo biglietto, ma le prossime missioni di esplorazione dello spazio potrebbero darci un'idea migliore se altre parti del sistema solare potrebbero supportare la vita.
"Una delle cose che ha dato alle persone un senso di ottimismo per quanto riguarda l'astrobiologia è la scoperta che ci sono organismi che possono persistere in quelle che considereremmo condizioni estreme", afferma Tori Hoehler, un astrobiologo presso il NASA Ames Research Center. Hoehler fa parte del team Rock-Powered Life della NASA Astrobiology Institute, che studia come le reazioni tra diversi tipi di rocce e acqua possano generare abbastanza energia per sostenere la vita.
"Uno degli habitat più diffusi che è disponibile là fuori è quello definito da roccia e acqua", afferma Hoehler. Puoi immaginare che le falde acquifere si trovino in profondità sotto la superficie di Marte o gli oceani che scivolano sopra la crosta rocciosa della luna di Giove Europa o la luna di Saturno Encelado, dice.
La missione Europa Multiple Flyby della NASA, che dovrebbe essere lanciata nei prossimi cinque o dieci anni, darà agli scienziati un'idea migliore se la luna ghiacciata di Giove abbia ambienti che possano sostenere la vita. Per quanto riguarda Marte, i ricercatori sono passati dal chiedere se sono in grado di trovare ambienti abitabili alla ricerca di prove della vita stessa, afferma Hoehler.
Anche se le condizioni sulla superficie marziana sono attualmente estremamente inospitali alla vita, il pianeta sembra aver avuto un'atmosfera e acque superficiali in qualche momento nel suo passato. Se la vita si fosse evoluta allora, avrebbe potuto diffondersi nel sottosuolo marziano, dove l'ambiente rimase stabile anche quando la superficie divenne ostile. È possibile che la vita persista ancora nel sottosuolo, in attesa che la scaviamo.
Il rendering di un artista della ExoMars Rover dell'ESA, che trasporterà un trapano progettato per sondare fino a 6, 5 piedi sotto la superficie marziana. (ESA) Non dovremo aspettare troppo a lungo per avere la nostra prima sbirciatina sotto la superficie marziana. La missione ExoMars del 2018 dell'Agenzia spaziale europea perforerà circa sei piedi sotto la superficie marziana per cercare segni di vita. Potrebbe non essere abbastanza profondo per trovare organismi viventi, ma dovrebbe essere abbastanza lontano sotto la superficie da poter trovare prove della vita.
Più di 20 anni da quando i batteri antichi gli hanno dato una prima occhiata alla vita profonda della Terra, Onstott non vede l'ora di vedere cosa troviamo su Marte, specialmente una volta che gli scienziati potranno scavare un po 'più a fondo.
"Se c'è un punto debole su Marte, un posto dove si ottiene il giusto equilibrio di temperatura e acqua, allora potrebbero esserci organismi che sopravvivono in quelle condizioni."
Ulteriori informazioni su questa ricerca e altro presso l'Osservatorio Deep Carbon.
