Zitten we fout met ons idee over de oorsprong van het leven?

De jongste decennia hebben we ontdekt dat het leven veel veerkrachtiger is dan we vermoedden. Wetenschappers hebben microben gevonden in kokende heetwaterbronnen en kurkdroge woestijnen, in poelen van zuur en in poolijs, kilometers hoog in de lucht en kilometers onder de oceaanbodem. Het is die laatste aardgrens – de diepe ondergrond – waar ze nu geweldige vooruitgang boeken in hun pogingen om het extreme aanpassingsvermogen van het leven te onderzoeken. En wat ze ontdekken, werpt een interessante hypothese op: het zou best wel eens kunnen dat we met ons idee over de oorsprong van het leven fout zitten. En dat het bestaat op veel meer plaatsen in het heelal dan we denken.

De diepe ondergrond van onze planeet lijkt onverbiddelijk onherbergzaam: lichtloos, zonder essentiële voedingsstoffen en onderworpen aan een onvoorstelbare, verpletterende druk. Desalniettemin lijkt het een van ‘s werelds grootste habitats te zijn. Wetenschappers hebben decennia lang bestudeerd hoe en waar microben blijven bestaan ​​en zelfs gedijen onder de oceanen, ver verwijderd van de zon.

Het meeste van dat werk was gericht op mariene sedimenten, de dicht opeengepakte modder en afval dat zich op sommige plaatsen kilometers onder het water uitstrekt. Maar er is ook het vulkanische gesteente daaronder, de aardkorst zelf. Het leven in die rotsen is veel moeilijker toegankelijk en te analyseren, en monsters zijn schaars.

Wetenschappers hebben decennia lang bestudeerd hoe en waar microben blijven bestaan ​​en zelfs gedijen onder de oceanen.

Maar een handvol nieuwe ontdekkingen heeft eindelijk een venster geopend op dat landschap en de microben die het bewonen. Ze geven ons ook een glimp in de oorsprong en evolutie van het leven, zowel op deze planeet als mogelijk elders in het universum.

Zonder de zon kan het ook

De aardkorst is grotendeels het terrein geweest van geologen. De eerste aanwijzing dat ze ook voor microbiologen interessant zou kunnen zijn, kwam in 1926, toen onderzoekers melding maakten van de aanwezigheid van bacteriën in de diepe oliebronnen van Illinois. Dergelijke ontdekkingen zouden echter decennia lang niet serieus worden genomen: bacteriële besmetting van de monsters leek veel waarschijnlijker dan de mogelijkheid dat leven zou kunnen bestaan los van de door de zon aangedreven fotosynthese die het leven overal op aarde ondersteunt.

In 1977 begon dat allemaal te veranderen. Wetenschappers ontdekten aan boord van een onderzeeër de eerste hydrothermale ventilatieopeningen toen ze een ​​zich uitbreidende oceaanrug tussen twee tektonische platen nabij de Galápagos-eilanden verkenden. Rond die ventilatieopeningen bloeide een heel ecosysteem, inclusief kokerwormen, reuzenmosselen en oogloze garnalen – en, zo bleek, heel veel microben die hen ondersteunden.

Voor het eerst realiseerden wetenschappers zich dat er ecosystemen op aarde zouden kunnen zijn die niet afhankelijk waren van de zon. De microben werden niet aangedreven door zonne-energie, maar door mineralen en chemicaliën die vrijkomen bij de ventilatieopeningen. In de jaren tachtig en negentig begonnen wetenschappers verder bewijs te ontdekken van hoe leven mogelijk was diep in de onverlichte wereld onder onze voeten. Rotsen onder zowel de continenten als de oceanen vertoonden verwering die waarschijnlijk niet het gevolg leek te zijn van alleen abiotische reacties. Boorprojecten op het land en op zee onthulden levende cellen en DNA-sequenties in allerlei omgevingen, waardoor onderzoekers speculeerden dat ondergrondse microben een verborgen meerderheid vormden, die veel groter was dan de microbiële cellen in de wereld hierboven.

Sediment

Het domein onder de zeebodem kan worden onderverdeeld in twee: sediment en gesteente. Sediment bestaat uit de modder en het afval dat zich op de bodem van de oceaan ophoopt. Deze laag lijkt qua structuur op een dichte spons: hoewel 90 procent van het gewicht van sediment water kan zijn, kan er niets efficiënt doorheen stromen; vloeistoffen en chemische verbindingen diffunderen er langzaam doorheen. Microbiële cellen worden in wezen begraven in sediment, samen met wat ze ook voor energie kunnen gebruiken.

In ondiepe gebieden, vooral in de buurt van kusten waar meer nutriënten voorkomen, gedijt dit in sediment begraven leven: miljoenen of zelfs een miljard microbiële cellen kunnen in een kubieke centimeter van dat sediment wonen. Naarmate onderzoekers dieper graven in sediment, vinden ze minder cellen. En toch lijken ze altijd wel iets te vinden. Er is tot 2.500 meter onder de zeebodem in sedimenten gegraven – waar ze nog steeds een paar microbiële cellen per kubieke centimeter vonden.

Zombies

De cellen die daar zijn gevonden lijken nauwelijks levend, althans volgens onze normen. Ze houden zich heel langzaam op de been, delen zichzelf zelden (het kan 100 tot 1.000 jaar duren voor dat één keer gebeurt) en hun energieverbruik is soms zes ordes van grootte lager dan dat van cellen die in oppervlaktehabitats. Steve D’Hondt, een oceanograaf aan de Universiteit van Rhode Island, noemt ze ‘zombiecellen’. Maar ze leven wel degelijk – ze werken gewoon niet op bekende tijdschalen.

Maar misschien gebeurt er iets anders in de basaltstenen die onder het sediment liggen. In tegenstelling tot de hard opeengepakte modder, hebben die rotsen poriën en scheuren en kloven waardoor zeewater circuleert – en daarmee organisch materiaal waar microben zich mee kunnen voeden. Helaas is het ook veel uitdagender om door dat gesteente te geraken en onbesmette monsters te verkrijgen. Terwijl sediment kan worden bemonsterd door simpelweg een pijp verticaal in de modder te drijven, is het gesteente daarvoor te hard. Wetenschappers moeten in plaats daarvan een boor gebruiken, evenals een mengsel van zeewater en modder om het te smeren – en dat proces vervuilt de randen en spleten van de monsters met biologisch materiaal van hogerop.

Dus om te onderzoeken wat er in de rotsen leeft, moeten microbiologen ze schoonmaken, met alcohol spoelen, hun oppervlak vlammen en de stenen openbreken. Zelfs dan hebben deze methoden de neiging om een ​​zeer beperkt aantal cellen bloot te leggen, en zonder begeleidend fotografisch bewijs, is het altijd erg moeilijk om te bewijzen dat wat wordt bemonsterd echt is en geen besmetting.

Japanse eureka

De meeste van de weinige onderzoeken die het leven in basalt hebben onderzocht, zijn gericht op rotsen in de buurt van hydrothermale ventilatieopeningen of nieuw aangelegde zeebodem – relatief jonge rotsen die slechts 8 miljoen jaar oud zijn. Maar vorige maand meldde een team van wetenschappers in Japan dat het leven in basalt had gevonden bij een expeditie die 120 meter diep in de korst onder de oceaan had geboord, in rotsen die van 33 miljoen tot 104 miljoen jaar oud waren. Alleen al de leeftijd van de rotsen was opwindend: toen ze zich vormden, liepen de dinosaurussen nog rond.

Aërobe bacteriën leven dicht opeengepakt in tunnels van kleimineralen in dit monster van vast gesteente, verzameld op 122 meter onder de zeebodem. Afbeelding B is 1.000 keer zo groot als afbeelding A. De linkerzijde in elke foto is gemaakt met normaal licht en de rechterzijde is gemaakt met fluorescerend licht. Het vaste basaltgesteente is grijs, de kleimineralen zijn oranje en de bacteriecellen zijn groene bollen Foto: Suzuki et al. 2020

De onderzoekers, die een nieuwe techniek gebruikten om de cellen in hun monsters nauwkeurig te tellen, ontdekten dat de microben geconcentreerd waren in een bepaalde subset van de met mineraal gevulde kloven van het basalt. Daar vormden ze iets dat leek op een biofilm en daarin vonden ze tot 10 miljard cellen per kubieke centimeter. De onderzoekers konden ook in kaart brengen met welke soorten mineralen de cellen wel en niet associeerden. Ze stellen dat de bacteriën hebben overleefd door te leven van organisch materiaal dat in die mineralen zit opgesloten.

Radiolyse

Het suggereert dat het levensrecept misschien minder streng is dan eerder werd verwacht. Misschien is alles wat nodig is om het in stand te houden een combinatie van gesteente en een vloeistofstroom. Dat is overigens geen geheel nieuw idee. In plaatsen als Zuid-Afrika en Canada is in mijnen in rotsen die miljarden jaren ouder zijn dan de oudste zeebodembasalt water gevonden dat in miljoenen of zelfs miljarden jaren niet is blootgesteld aan omgevingsfactoren aan het oppervlak. En in dat miljard jaar oude water hebben de onderzoekers leven gevonden.

Er is ook bewijs gevonden dat die microben blijven bestaan ​​door energie te halen uit een abiotisch proces, radiolyse genaamd, waarbij straling die vrijkomt door de rotsen reageert met water in het systeem om waterstof vrij te maken, die de cellen vervolgens in verschillende vormen als brandstof kunnen gebruiken. Dat stelde wetenschappers voor een intrigerende vraag: kan radiolyse een alternatief proces zijn dat een groot deel van het ondergrondse leven aandrijft?

Aangezien radiolyse overal voorkomt, zou het ook het diepe leven in de oceaan kunnen ondersteunen. Maar het is veel moeilijker om daar bewijs van te verkrijgen in mariene omgevingen. D’Hondt, de oceanograaf van de Universiteit van Rhode Island, stelt dat de bacteriën die daar onlangs zijn ontdekt, ook op radiolyse kunnen vertrouwen.

Het biedt een nieuwe manier om potentiële grenzen aan het leven te visualiseren. Traditioneel veronderstellen onderzoekers dat het leven het vaakst wordt beperkt door temperatuur. Boven de 120 graden Celsius breken zelfs de hardste microbiële cellen uit elkaar en gaan dood. Maar een andere belangrijke factor lijkt deze uiterst belangrijke vloeistofstroom te zijn. Zolang de temperatuur koel genoeg blijft, kan het leven ‘zo diep gaan als zeewater kan doordringen’, zegt D’Hondt.

Omgekeerd?

Misschien wel het belangrijkste: dergelijke studies naar vloeistofstroming bieden een nieuwe insteek om de oorsprong en evolutie van het leven te onderzoeken. We gaan er immers vanuit dat het leven aan het oppervlak begon. Maar het zou dus best ook mogelijk dat het leven ondergronds begon, door een toevallige verbinding van rots en water – en dat het uiteindelijk naar de oppervlakte kwam en uitzocht hoe we de energie van de zon konden benutten.

Dat heeft op zijn beurt belangrijke implicaties voor de zoektocht naar leven op Mars, de ijzige Saturnus-maan Enceladus en exoplaneten buiten ons zonnestelsel. Gezien de prevalentie van water en vulkanisch gesteente in het hele universum, zou met andere woorden leven overal waar die dingen zijn kunnen beginnen.

Studies naar vloeistofstroming hebben belangrijke implicaties voor de zoektocht naar leven op Mars. Foto: NASA

Het zou zelfs kunnen betekenen dat er leven gedijt onder de oppervlakte van andere werelden, leven dat onafhankelijk is van fotosynthese. Nog intrigerender, misschien kan het leven daar ook evolueren en zich aanpassen – misschien heel anders dan hoe het dat aan de oppervlakte zou doen.

Een paar onderzoeken, uitgevoerd in jongere sedimenten, hebben geen bewijs gevonden voor een dergelijke evolutie op onze planeet – maar die onderzoeken hadden betrekking op slechts één type diepe ondergrondse omgeving, en ze gingen slechts tot 10.000 jaar terug. Dat is misschien niet genoeg tijd om een ​​langzamere vorm van natuurlijke selectie een rol te hebben gespeeld. Wat als je een miljoen jaar of tien miljoen jaar teruggaat?

Het hele verhaal zit in ieder geval in een stroomversnelling, en we zullen de volgende jaren een pak meer leren. Een paper gepubliceerd in Nature in maart beschrijft de resultaten van een project waarbij werd geboord tot bijna 800 meter onder de zeebodem op een locatie waar de onderste oceaankorst dichter naar de oppervlakte uitpuilt. Daar werden monsters genomen van gabbro-rotsen, die worden gevormd wanneer magma langzamer afkoelt. Ze worden meestal gevonden onder basalt. En in die rotsen rapporteerden de wetenschappers sporen van cellen – die opnieuw leken te overleven op voedingsstoffen die ze uit de stroom van zeewater hadden gehaald.