เซลล์ใต้ดินสร้าง 'ออกซิเจนมืด' โดยไม่ใช้แสง | นิตยสารควอนตั้ม

นักวิทยาศาสตร์ได้ตระหนักว่าในดินและหินใต้ฝ่าเท้าของเรามีอยู่ ชีวมณฑลอันกว้างใหญ่ ด้วยปริมาณน้ำทั่วโลกเกือบสองเท่าของมหาสมุทรทั้งหมดในโลก ไม่ค่อยมีใครรู้เกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตใต้ดินเหล่านี้ ซึ่งเป็นตัวแทนของมวลจุลินทรีย์ส่วนใหญ่ของโลก และความหลากหลายของพวกมันอาจเกินกว่าสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่บนพื้นผิว การดำรงอยู่ของพวกมันมาพร้อมกับปริศนาอันยิ่งใหญ่: นักวิจัยมักสันนิษฐานว่าอาณาจักรใต้ดินหลายแห่งนั้นเป็นเขตตายที่ขาดออกซิเจนซึ่งอาศัยอยู่โดยจุลินทรีย์ดั้งเดิมเท่านั้นที่รักษาพวกมันไว้ การเผาผลาญที่คลาน และขูดตามร่องรอยของสารอาหาร เมื่อทรัพยากรเหล่านั้นหมดลง เชื่อกันว่าสภาพแวดล้อมใต้ดินจะต้องไม่มีชีวิตชีวาและมีความลึกมากขึ้น

ในงานวิจัยใหม่ที่เผยแพร่เมื่อเดือนที่แล้วใน การสื่อสารธรรมชาตินักวิจัยได้นำเสนอหลักฐานที่ท้าทายสมมติฐานเหล่านั้น ในอ่างเก็บน้ำใต้ดิน 200 เมตรใต้แหล่งเชื้อเพลิงฟอสซิลของอัลเบอร์ตา ประเทศแคนาดา พวกเขาค้นพบจุลินทรีย์จำนวนมากที่ผลิตออกซิเจนจำนวนมากอย่างคาดไม่ถึงแม้ในที่ที่ไม่มีแสง จุลินทรีย์สร้างและปลดปล่อยสิ่งที่นักวิจัยเรียกว่า "ออกซิเจนมืด" จำนวนมาก ซึ่งเหมือนกับการค้นพบ "ขนาดของออกซิเจนที่มาจากการสังเคราะห์ด้วยแสงในป่าฝนอเมซอน" กล่าว คาเรน ลอยด์นักจุลชีววิทยาใต้พื้นผิวแห่งมหาวิทยาลัยเทนเนสซีซึ่งไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษานี้ ปริมาณของก๊าซที่แพร่ออกจากเซลล์มีมากจนดูเหมือนว่าจะสร้างสภาวะที่เอื้ออำนวยต่อสิ่งมีชีวิตที่อาศัยออกซิเจนในน้ำใต้ดินและชั้นดินโดยรอบ

"มันเป็นการศึกษาที่สำคัญ" กล่าว บาร์บารา เชอร์วูด โลลาร์นักธรณีวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยโตรอนโตซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในงานนี้ การวิจัยในอดีตมักพิจารณาถึงกลไกที่สามารถผลิตไฮโดรเจนและโมเลกุลสำคัญอื่นๆ บางชนิดสำหรับชีวิตใต้ดิน แต่การสร้างโมเลกุลที่ประกอบด้วยออกซิเจนมักถูกมองข้ามไปเนื่องจากออกซิเจนดูเหมือนจะเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ด้วยแสงและการมีอยู่ของแสง จนถึงขณะนี้ "ไม่มีการศึกษาใดที่ดึงข้อมูลทั้งหมดมารวมกันได้เหมือนกับครั้งนี้" เธอกล่าว

การศึกษาครั้งใหม่นี้ศึกษาชั้นหินอุ้มน้ำลึกในจังหวัดอัลเบอร์ตาของแคนาดา ซึ่งมีคราบน้ำมันดิน ทรายน้ำมัน และไฮโดรคาร์บอนมากมายจนได้รับการขนานนามว่า “เท็กซัสแห่งแคนาดา” เนื่องจากอุตสาหกรรมการเลี้ยงโคและการเกษตรขนาดใหญ่ต้องพึ่งพาน้ำใต้ดินเป็นอย่างมาก รัฐบาลประจำจังหวัดจึงตรวจสอบความเป็นกรดและองค์ประกอบทางเคมีของน้ำอย่างแข็งขัน ยังไม่มีใครศึกษาจุลชีววิทยาของน้ำบาดาลอย่างเป็นระบบ

สำหรับ เอมิล รัฟฟ์การสำรวจดังกล่าวดูเหมือนจะเป็น "ผลไม้แขวนลอย" ในปี 2015 เมื่อเขาเริ่มคบหาหลังปริญญาเอกในสาขาจุลชีววิทยาที่มหาวิทยาลัยคาลการี เขารู้เพียงเล็กน้อยว่าการศึกษาที่ดูเหมือนตรงไปตรงมานี้จะทำให้เขาต้องเสียภาษีเป็นเวลาหกปีข้างหน้า

ความลึกที่แออัด

หลังจากรวบรวมน้ำใต้ดินจาก 95 บ่อทั่วอัลเบอร์ตา รัฟฟ์และเพื่อนร่วมงานของเขาเริ่มทำกล้องจุลทรรศน์พื้นฐาน พวกเขาย้อมสีเซลล์จุลินทรีย์ในตัวอย่างน้ำใต้ดินด้วยสีย้อมกรดนิวคลีอิก และใช้กล้องจุลทรรศน์เรืองแสงเพื่อนับจำนวน การหาอายุของอินทรียวัตถุในตัวอย่างด้วยคลื่นวิทยุและการตรวจสอบความลึกที่พวกมันถูกเก็บมา นักวิจัยสามารถระบุอายุของชั้นหินอุ้มน้ำใต้ดินที่พวกมันเจาะได้

รูปแบบในตัวเลขทำให้พวกเขางงงวย ตัวอย่างเช่น ในการสำรวจตะกอนใต้พื้นทะเล นักวิทยาศาสตร์พบว่าจำนวนเซลล์จุลินทรีย์ลดลงตามความลึก: ตัวอย่างที่เก่ากว่าและลึกกว่านั้นไม่สามารถดำรงชีวิตได้มากนัก เพราะพวกมันถูกตัดขาดจากสารอาหารที่สร้างโดยพืชสังเคราะห์แสงมากขึ้น และสาหร่ายบริเวณผิวน้ำ แต่ที่สร้างความประหลาดใจให้กับทีมของรัฟฟ์ก็คือ น้ำใต้ดินที่เก่ากว่าและลึกกว่ามีเซลล์มากกว่าน้ำที่สดกว่า

จากนั้น นักวิจัยก็เริ่มระบุจุลินทรีย์ในตัวอย่าง โดยใช้เครื่องมือระดับโมเลกุลเพื่อระบุยีนบ่งชี้ของพวกมัน ส่วนใหญ่เป็น methanogenic archaea ซึ่งเป็นจุลินทรีย์เซลล์เดียวที่เรียบง่ายซึ่งผลิตก๊าซมีเทนหลังจากบริโภคไฮโดรเจนและคาร์บอนที่ไหลออกมาจากหินหรือในสารอินทรีย์ที่เน่าเปื่อย นอกจากนี้ยังมีแบคทีเรียจำนวนมากที่กินมีเทนหรือแร่ธาตุในน้ำ

อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ไม่สมเหตุสมผลก็คือแบคทีเรียจำนวนมากเป็นแอโรบิก ซึ่งเป็นจุลินทรีย์ที่ต้องการออกซิเจนในการย่อยก๊าซมีเทนและสารประกอบอื่นๆ แอโรบิกจะเจริญเติบโตในน้ำใต้ดินที่ไม่ควรมีออกซิเจนได้อย่างไร เนื่องจากการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นไปไม่ได้ แต่จากการวิเคราะห์ทางเคมีพบว่ามีออกซิเจนละลายอยู่ในตัวอย่างน้ำใต้ดินลึก 200 เมตรด้วย

มันไม่เคยได้ยินมาก่อน “เราทำตัวอย่างเสียหายแล้ว” คือปฏิกิริยาเริ่มต้นของรัฟฟ์

ก่อนอื่นเขาพยายามแสดงให้เห็นว่าออกซิเจนที่ละลายในตัวอย่างเป็นผลมาจากการจัดการที่ไม่ถูกต้อง “มันเหมือนกับการเป็นเชอร์ล็อก โฮล์ม” รัฟฟ์กล่าว “คุณพยายามหาหลักฐานและข้อบ่งชี้” เพื่อหักล้างข้อสันนิษฐานของคุณ อย่างไรก็ตาม ปริมาณออกซิเจนที่ละลายในน้ำนั้นดูสม่ำเสมอในตัวอย่างหลายร้อยตัวอย่าง การจัดการที่ไม่ถูกต้องไม่สามารถอธิบายได้

ถ้าออกซิเจนที่ละลายไม่ได้มาจากการปนเปื้อน มันมาจากไหน? รัฟตระหนักว่าเขากำลังใกล้จะเกิดเรื่องใหญ่ แม้ว่าการกล่าวอ้างที่ขัดแย้งกันจะขัดกับธรรมชาติของเขาก็ตาม ผู้เขียนร่วมของเขาหลายคนก็สงสัยเช่นกัน: การค้นพบนี้ขู่ว่าจะทำลายรากฐานของความเข้าใจของเราเกี่ยวกับระบบนิเวศใต้ผิวดิน

สร้างออกซิเจนให้ทุกคน

ตามทฤษฎีแล้ว ออกซิเจนที่ละลายในน้ำใต้ดินอาจมีต้นกำเนิดมาจากพืช จุลินทรีย์ หรือจากกระบวนการทางธรณีวิทยา เพื่อหาคำตอบ นักวิจัยหันไปใช้แมสสเปกโตรเมตรี ซึ่งเป็นเทคนิคที่สามารถวัดมวลของไอโซโทปของอะตอมได้ โดยปกติแล้ว อะตอมออกซิเจนจากแหล่งทางธรณีวิทยาจะหนักกว่าออกซิเจนจากแหล่งชีวภาพ ออกซิเจนในน้ำใต้ดินมีปริมาณน้อย ซึ่งหมายความว่าต้องมาจากสิ่งมีชีวิต ผู้สมัครที่เป็นไปได้มากที่สุดคือจุลินทรีย์

นักวิจัยจัดลำดับจีโนมของชุมชนจุลินทรีย์ทั้งหมดในน้ำใต้ดิน และติดตามเส้นทางและปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่มีแนวโน้มมากที่สุดในการผลิตออกซิเจน คำตอบชี้กลับไปที่การค้นพบเมื่อทศวรรษที่แล้วโดย มาร์ค สเตราส์ จาก University of Calgary ผู้เขียนอาวุโสของการศึกษาใหม่และหัวหน้าห้องปฏิบัติการที่ Ruff ทำงานอยู่

ขณะทำงานในห้องทดลองในเนเธอร์แลนด์ช่วงปลายทศวรรษ 2000 Strous สังเกตเห็นว่าแบคทีเรียที่กินมีเทนชนิดหนึ่งซึ่งมักพบในตะกอนทะเลสาบและกากตะกอนน้ำเสียมีวิถีชีวิตที่แปลกประหลาด แทนที่จะรับออกซิเจนจากสิ่งรอบข้างเหมือนแอโรบิกอื่นๆ แบคทีเรียสร้างออกซิเจนขึ้นมาเองโดยใช้เอนไซม์เพื่อสลายสารประกอบที่ละลายน้ำได้ที่เรียกว่าไนไตรต์ (ซึ่งมีกลุ่มสารเคมีที่ทำจากไนโตรเจนและออกซิเจน XNUMX อะตอม) แบคทีเรียใช้ออกซิเจนที่สร้างขึ้นเองเพื่อแยกก๊าซมีเทนเป็นพลังงาน

เมื่อจุลินทรีย์สลายสารประกอบด้วยวิธีนี้ จะเรียกว่าการกลายพันธุ์ จนถึงขณะนี้ เชื่อกันว่าเป็นวิธีการผลิตออกซิเจนที่หาได้ยากในธรรมชาติ การทดลองในห้องปฏิบัติการล่าสุด อย่างไรก็ตาม ที่เกี่ยวข้องกับชุมชนจุลินทรีย์ประดิษฐ์พบว่าออกซิเจนที่เกิดจากการเปลี่ยนรูปสามารถรั่วไหลออกจากเซลล์และเข้าสู่ตัวกลางโดยรอบเพื่อประโยชน์ของสิ่งมีชีวิตที่อาศัยออกซิเจนอื่น ๆ ในกระบวนการทางชีวภาพชนิดหนึ่ง รัฟฟ์คิดว่านี่อาจเป็นสิ่งที่ช่วยให้ชุมชนจุลินทรีย์แอโรบิกทั้งหมดสามารถเจริญเติบโตได้ในน้ำใต้ดิน และอาจเป็นไปได้ในดินโดยรอบด้วย

เคมีเพื่อชีวิตที่อื่น

การค้นพบนี้ช่วยเติมเต็มช่องว่างที่สำคัญในความเข้าใจของเราเกี่ยวกับวิวัฒนาการของชีวมณฑลใต้พิภพขนาดใหญ่ และการกลายพันธุ์ทำให้เกิดวัฏจักรของสารประกอบที่เคลื่อนผ่านสภาพแวดล้อมโลกได้อย่างไร ความเป็นไปได้เพียงอย่างเดียวที่ออกซิเจนมีอยู่ในน้ำใต้ดิน “เปลี่ยนความเข้าใจของเราเกี่ยวกับอดีต ปัจจุบัน และอนาคตของใต้ผิวดิน” รัฟฟ์ ซึ่งปัจจุบันเป็นผู้ช่วยนักวิทยาศาสตร์ที่ห้องปฏิบัติการชีววิทยาทางทะเลในวูดส์โฮล รัฐแมสซาชูเซตส์กล่าว

Lollar กล่าวว่า การทำความเข้าใจสิ่งที่อาศัยอยู่ใต้พื้นผิวโลกของเราก็มีความสำคัญเช่นกัน ตัวอย่างเช่น ดินบนดาวอังคารมีสารประกอบเปอร์คลอเรตที่จุลินทรีย์โลกบางชนิดสามารถเปลี่ยนเป็นคลอไรด์และออกซิเจนได้ ดวงจันทร์ยูโรปาของดาวพฤหัสบดีมีมหาสมุทรที่ลึกและเป็นน้ำแข็ง แสงแดดไม่อาจทะลุผ่านเข้าไปได้ แต่ออกซิเจนอาจถูกผลิตขึ้นที่นั่นได้โดยการสลายตัวของจุลินทรีย์แทนการสังเคราะห์ด้วยแสง นักวิทยาศาสตร์ได้สังเกตเห็นกลุ่มไอน้ำพวยพุ่งออกมาจากพื้นผิวของเอนเซลาดัส หนึ่งในดวงจันทร์บริวารของดาวเสาร์ ขนนกน่าจะมาจากมหาสมุทรใต้ผิวน้ำที่เป็นของเหลว หากสักวันหนึ่งเราพบสิ่งมีชีวิตในโลกอื่นเช่นนั้น ก็อาจต้องใช้วิถีการกลายพันธุ์เพื่อเอาชีวิตรอด

ไม่ว่าการกลายพันธุ์จะมีความสำคัญเพียงใดก็ตามในจักรวาล Lloyd รู้สึกทึ่งกับการค้นพบใหม่ที่ท้าทายแนวคิดเกี่ยวกับความต้องการของชีวิต และด้วยความไม่รู้ทางวิทยาศาสตร์ที่พวกเขาเปิดเผยเกี่ยวกับชีวมณฑลที่ใหญ่ที่สุดแห่งหนึ่งของโลก “มันเหมือนกับว่าเรามีไข่อยู่บนหน้าของเราตลอดเวลา” เธอกล่าว

หมายเหตุบรรณาธิการ: รัฟฟ์ได้รับทุนสนับสนุนผู้ตรวจสอบอาชีพช่วงต้นจากมูลนิธิไซมอนส์ซึ่งสนับสนุนเช่นกัน ควอนตั้ม ในฐานะบรรณาธิการนิตยสารข่าววิทยาศาสตร์อิสระ การตัดสินใจให้ทุนไม่ส่งผลต่อความครอบคลุมของกองบรรณาธิการ