地球はエキゾチックな生命体で溢れています| 科学| スミソニアン - 記事、科学、私たちの惑星

地球の表面から約2マイル下にある古代のバクテリア：それが最初にTullis Onstottを引き寄せ、最もありそうもない場所で生命の探索を始めたのです。地球微生物学者は、ほとんどの恐竜よりも古い2億年前と推定される岩についての1992年の米国エネルギー省の会議に出席したばかりでした。これらの先史時代の岩は、ガス探査井から発掘されていたもので、バクテリアで溢れかえっていました。

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「それは私にとって非常に驚くべきことでした」とプリンストン大学のオンストットは言います。「これらのバクテリアが恐竜の時代よりも前に堆積して以来、これらの三畳紀の岩に住んでいたという考えは、その考えが私の夢中になった」と彼は言います。

これらの岩石は、生命が何マイルも地下に存在することを示す最初の実質的な証拠の1つであり、いわゆる深層地下の生命を研究するための研究者の努力を促進しました。過去20年にわたり、オンストットや他の人々は、誰も想像していなかったほど多くの人が住みにくい場所で、より多様な生活が存在することを発見しました。

ディープライフは、油田や金鉱山、グリーンランドや南極の氷床下、海底下の堆積物や岩石など、さまざまな条件下で世界中で発見されています。これらの場所は、表面の10〜100倍の圧力がかかる、非常に厳しい環境になる可能性があります。温度は、氷点近くから華氏140度以上の範囲です。

表面から1マイル以上離れると、日光はなく、酸素はほとんどありません。これらの厳しい環境では、生き物は周囲から集められるエネルギーで生計を立てなければなりません。これは、そこでの生活のペースが信じられないほど遅くなることを意味します。これらの微生物は、地上の同胞よりも千倍または百万倍少ない可能性があります。また、何百年、何千年、さらには数百万年前から存在していたものもあります-本物の顕微鏡のメトセラです。

深海のこれらの生物は多様であり、バクテリアと古細菌と呼ばれる他の単細胞生物で構成されています。線虫と呼ばれる小さな虫を含む、表面から数マイル下にある多細胞動物ですらあります。

「この深く隠された宇宙を探求し続けているときに驚くべきことは、90年代に三畳紀のサンプルを見始めたときに想像していたよりも複雑だということです」とオンストットは言います。

その複雑さは、有毒廃棄物の浄化から地球外生命体の探索まで、研究者に可能性の世界を開いた。これらの深部生物の一部は、金属や鉱物を直接摂取し、ヒ素、ウラン、有毒金属のレベルを増減させることで地下水に影響を与えます。科学者は、これらのバクテリアが、鉱山から漏れる廃水のようなものからそのような有害な物質をトラップまたは除去するようにすぐに適応できることを望んでいます。

しかし、おそらく最も興味をそそるのは、地下深くの条件はあまりにも異質であるため、研究者が地球外生命をどこで見つけるか、そしてその生命がどのように見えるかについての手掛かりを与えるかもしれないという考えです。

「火星の表面下に生命が存在するかどうかに直接関係します」とオンストットは言います。「それが本当に私をこの分野に始めから引き付けたものであり、それでも私にとっての原動力です。」

極端な環境と生物の相対的な希少性の間で、研究者はこれらの微生物を研究するためにかなりの長さおよび深さを求めます。彼らは鉱山や洞窟に足を踏み入れたり、ドリルを使って地上のサイトや海底からサンプルを抽出します。一部の地域では、単一のサンプルを取得するのに数日かかる場合があります。「地球の果てに行って掘削したり、北極に行って1マイル地下に行ってサンプルを採取したりするのは簡単ではありません」とオンストットは言います。

地獄の深さを探る

南アフリカのベアトリクス金鉱山の奥深く、地球の表面のほぼ1マイル下にあるマギーラウは生命を探します。高温多湿で、プリンストン大学のオンストットのグループの地球微生物学者であるラウは、ボアホールから水を集めるので、ヘッドランプだけが暗闇を突破します。これらは、採掘作業の前にガスと水のポケットを探している地質学者によって岩に開けられた穴です。ラウは、小さじ1杯未満から2パイント強までの範囲のガスと水のサンプルでバイアルの詰め合わせを満たします。

マギーラウは、南アフリカのタウトナ金鉱山で、地表から2マイル以上下にあるバイアルにボアホールの水を集めています。（Francois Vermeulen（AgloGold Ashanti Limitedの地球科学マネージャー））

ラウが収集するガスは、水の古さを明らかにすることができます。「私が研究しているサンプルは、約40, 000〜80, 000歳です」と彼女は言います。水は地表から発生し、数千年または数百万年にわたって亀裂を介して滴り落ち、微生物を地表または地下の浅い領域のいずれかから運んできた可能性があります。

水とは異なり、ラウは研究サイトまでより速く、より劇的なルートを取ります。彼女はリフトケージ（1分以内にほぼ1マイルを落とす）で鉱山のシャフトを下り、荷物を積んだバックパックで1マイル以上歩きます。一部のトンネルでは、研究者がクロールしてパックを後ろに引きずり込んだり、浸水した部分の膝や太ももの高さの水を歩いたりする必要があります。たまに、1日の仕事の後にリフトケージを利用できない場合があり、ラウとオンストットは階段を上る必要があります。「これは天国への階段のようなものだと冗談を言っていました」と彼女は言います。

水が華氏130度に達し、岩自体が手触りが温かい地獄のような深さでは、多くの生命が見つかりません。分析のためにできるだけ多くの生細胞を収集するために、ラウは数週間から数か月にわたって数百から数千ガロンの水をろ過するためにバイアルの一部を残します。

表面から約1マイル下にあるラウは、通常、小さじ1杯未満の水で1, 000〜10, 000個の細胞を見つけることができます。それはたくさんのように思えるかもしれませんが、裏庭のひとつまみの土には、100, 000〜100万倍の細胞が含まれている可能性があります。地下1マイル以上の場所では、小さじ1杯の水につき500個のセルしか存在しない可能性があります。 Lauは、分析のために十分なDNAとRNAを得るために200日間連続して水をろ過しなければならないと見積もっています。

彼らが食べる特定の食物または彼らが繁栄する正確な条件を知らずに、実験室で細菌種を育てるのは難しいかもしれません。科学者たちは、彼らの深いフィールドのサイトで見つけたバクテリアの約1パーセントしか成長できませんでした。その結果、ほとんどの種はその固有の分子署名からのみ知られており、DNAまたはRNAの配列決定は、科学者がそこに集めたサンプル中の以前に同定されていない細菌の過剰を明らかにしました。

このタイムラプスビデオでは、研究者が南アフリカの金鉱山内でサンプルを収集しています。（ゲータン・ボルゴニー作）

最近、ラウはそこに住んでいるものを見つけることを超えて一歩進んでいます-彼女は彼らが生活のために何をするかを知りたいです。太陽光と植物が光合成によって太陽のエネルギーを閉じ込めないため、これらの深在するバクテリアは岩と水の化学反応からのエネルギーで生き延びなければなりません。これらの反応は水素、メタン、硫酸塩を生成する可能性があり、科学者はこれらの3つの化学物質がこれらの深い環境に住んでいるバクテリアの大部分に燃料を供給すると考えました。

驚いたことに、ラウはそうではないことに気付いた。代わりに、化学物質は少数のバクテリアのみを維持し、バクテリアは硫黄と硝酸塩を生成します。これらの環境では、これらの二次化学物質を食べた細菌が優勢でした。

これは、地球または他の世界で深層生命を検索する場合、科学者はより広範な代謝反応を探す必要があることを意味します。「いくつかの主要なプロセスだけに焦点を合わせないでください。完全で完全な代謝環境を見るために、私たちはもっとオープンマインドでなければなりません」とラウは言います。

「彼らが今何をしているのかを実際に見ることができるということは、絶対に最も刺激的なことです。私たちがずっとやりたいことであり、過去20年間のやり方を見つけようとしています。オンストットは言います。

「（ラウの）最初のスナップショット、火星などから最初の画像を取り戻すようなもので、信じられないほど素晴らしい」と彼は付け加えた。

真の動物園

獲物があるところには、通常捕食者がいます。そして、バクテリアは多くの生き物にとっておいしい食事を作ります。

Gaetan Borgonieがこれらの深層細菌について聞いたとき、彼は同じ地下の場所で線虫と呼ばれる虫を見つけることができるのかと考えました。ベルギーのゲントブルージュにあるエクストリームライフイセンシャの動物学者であるボルゴニーは、これらのワームに20年間取り組んできました。彼は、線虫が非常に高温または低温や非常に低い酸素レベルを含む地表のさまざまな条件に耐えることができることを知っていたので、理論的には、それらは地下深くの条件に適していました。

ボルゴニーは、南アフリカの鉱山を探検するために彼を招待したオンストットを呼びました。しかし、これらのワームを見つけるのは簡単ではありませんでした。それらは地表に非常に豊富ですが、鉱山ではボルゴニーは単一の線虫を見つけるために2, 500ガロン以上の水をサンプリングしなければなりませんでした。「地下は別の惑星であるため、あなたは本当に考え方を変えて、地表から知っていることを残す必要があります」と彼は言います。

ボルゴニエは、坑内の3、000年から12、000年前の水と鉱山のトンネルからぶら下がっている乳石で、鉱山に住む多数の線虫を発見しました。これらには、水面下1マイル近くで発見された1つの新しい種と、2マイル以上下に住んでいる未確認の虫が含まれています。これらの動物は、これほど深く、多細胞、真核生物の生命の最初の証拠でした、とボルゴニーは言います。

これらの深さで見つかったユニークな細菌とは異なり、ワームの大部分は表面で見つかった種に属していました。「これらの動物はすでにストレスに使用されており、表面で日和見的な動物は地下で非常にうまくいきます」とボルゴニーは言います。

安定した状態とワームの捕食者の欠如を考えると、実際には深い環境にはいくつかの利点があります。「彼らにとっては休日のようなものです」とBorgonie氏は言います。

白い矢印は、南アフリカのコパナン金鉱山のボアホール水中のバイオフィルム内で見つかった細菌を指します。（ゲータン・ボルゴニー）

鉱山にはもっと多くの生き物がいるに違いないと確信したボルゴニーは、サンプリング装置を南アフリカのドリーフォンテイン金鉱山に2年間置き、300万ガロン以上の水をろ過するために、オリンピックサイズのスイミングプールをほぼ5つ満たしました。

「それが動物園全体を見つけたときです」とボルゴニーは言います。彼は、扁形動物や分節化された寄生虫、および甲殻類と思われるものを含む他のいくつかの多細胞生物を特定しました。これらの種のほぼすべてが、バクテリアを食べることで生き残りました。

これらの生物の発見は、地球外生命体を探している科学者にとって勇気づけられると、ボルゴニーは言います。「地下にこのような巨大な生態系を見つけることは非常に良いことだと思います」と彼は言います。「彼らが無期限に地下で生き延びられることを証明できれば、火星で生命を探している人々にとって非常に良いニュースになるかもしれません。」

「この仕事を火星の惑星で本当にしたいです」と彼は言います。「だから、火星への片道切符を渡してくれたら、私はもういません。」

エイリアンディープ

ボルゴニーはまだチケットを持っていないかもしれませんが、今後の宇宙探査ミッションは、太陽系の他の部分が生命を支えることができるかどうかのより良い考えを与えることができます。

NASAエームズ研究センターの宇宙生物学者であるTori Hoehler氏は、次のように語っています。 HoehlerはNASA Astrobiology InstituteのRock-Powered Lifeチームのメンバーであり、さまざまな種類の岩と水との反応が生命を支えるのに十分なエネルギーを生成する方法を研究しています。

「そこにある最も一般的な生息地の1つは、岩と水で定義された生息地です」とHoehler氏は言います。彼は、火星の表面の下に座っている帯水層や、木星の月エウロパや土星の月エンケラドスの岩の地殻の上にスロッシングする海が想像できます。

NASAのEuropa Multiple Flyby Missionは、今後5年から10年で打ち上げられる予定で、科学者は木星の氷の月に生命を支えることができる環境があるかどうかをよりよく理解できます。火星に関しては、研究者は住みやすい環境を見つけることができるかどうかを尋ねることから、実際に生命そのものの証拠を探すことへと進んでいる、とHoehlerは述べています。

現在、火星の表面の状態は生命にとって非常に住みにくいですが、この惑星は過去のある時点で大気と地表水を持っていたようです。生命が進化していた場合、火星の地下に広がり、表面が敵対的になっても環境は安定したままだったかもしれません。人生はまだ地下深くにあり、私たちがそれを掘り起こすのを待っている可能性があります。

ESAのExoMars Roverのアーティストによるレンダリング。火星表面から6.5フィート下まで探査するように設計されたドリルを搭載します。（ESA）

火星の表面の下で最初のピークを得るのに、あまり長く待つ必要はありません。欧州宇宙機関の2018年のExoMarsミッションは、火星の表面から約6フィート下を掘削して生命の兆候を探します。それは、生きている生物を見つけるのに十分な深さではないかもしれませんが、生命の証拠を見つけることができるのに、地表より十分下にあるべきです。

古代のバクテリアが最初に地球の深層生活を垣間見せてから20年以上が経ち、オンストットは、特に科学者がもう少し深く掘り下げると、火星で私たちが見つけたものを見るのが待ちきれません。

「火星に温度と水の適切なバランスがちょうど得られる場所に火星のスイートスポットがある場合、それらの条件下で生き残る生物がいる可能性があります。」

この研究の詳細については、Deep Carbon Observatoryをご覧ください。