De Iberische pyrietgordel in het uiterste zuidwesten van Spanje ziet eruit als het decor uit een film over buitenaardse wezens. Het landschap is doorspekt met roestbruine meren, en de Rio Tinto, genoemd naar zijn helderrode kleur, lijkt tegen de achtergrond van de grauwe rotsen regelrecht te gloeien. Maar wie hier iets dieper graaft, stuit op nóg vreemdere verschijnselen.
Wetenschappers waren verbluft toen ze op een diepte van zeshonderd meter onder het oppervlak van dit bizarre landschap levende blauwalgen (cyanobacteriën) aantroffen – op een plek waar zonlicht, water en voedingsstoffen amper kunnen doordringen. Tot nu toe werd aangenomen dat deze cyanobacteriën alleen in zonlicht konden overleven, hoewel bekend is dat het zeer veelzijdige levensvormen zijn; onderzoekers hebben bijna overal op aarde levende blauwalgen aangetroffen.
“Ga naar de woestijn, en je vindt er blauwalgen; ga de zee op, en je vindt er blauwalgen. Ga naar het International Space Station, neem wat blauwalgen mee, en ze overleven er,” zegt Fernando Puente-Sánchez, postdoctoraal onderzoeker aan het Centro Nacional de Biotecnología in Madrid.
“De laatste habitat die we nog niet hadden gezien, was diep onder de grond.”
Blauwalgen hebben een belangrijke rol in de evolutie van het leven op aarde gespeeld: ze zorgden ervoor dat de atmosfeer met grote hoeveelheden zuurstof werd verrijkten effenden daarmee de weg voor de meer complexe levensvormen die nu op onze planeet rondzwemmen, -glibberen, -springen, -galopperen en -vliegen. Daarom is de nieuwe studie – die gisteren werd gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences– voor de onderzoekers aanleiding om opnieuw na te denken over de vraag welke beestjes onder de grond kunnen overleven. En misschien kunnen we daarbij denken aan het soort microben waarnaar op Mars en andere hemellichamen wordt gezocht. (Lees meer over de mogelijke vondst van een ondergronds meer op Mars.)
Diepteonderzoek
Puente-Sánchez, die het onderzoek als postdoctoraal student aan het Spaanse Centro de Astrobiología(CSIC-INTA) afrondde, was aanvankelijk niet op zoek naar blauwalgen in de boorkernen die hij in de Pyrietgordel had verzameld. Het team dacht op bacteriën te stuiten die ook aan de oppervlakte worden aangetroffen, waaronder verschillende microben die ijzer en zwavel oxideren.
“Maar dat soort bacteriën vonden we niet,” zegt hij. In plaats daarvan zagen ze in de boorkernen overal blauwalgen. Eerst dacht Puente-Sánchez dat het om een vergissing ging. Hij herinnert zich nog hoe hij zijn onderzoek zeer somber inzag: “Mijn PhD gaat mislukken, mijn mentor vermoordt me...”
Maar aan de hand van controlemonsters kon het team vaststellen dat de aanwezigheid van de microben niet het gevolg was van besmetting door boorvloeistof of door een fout tijdens het laboratoriumwerk. De blauwalgen werden ook niet op willekeurige locaties gevonden, zoals verwacht mag worden als een monster per ongeluk met een besmette vloeistof in aanraking is gekomen. Nee, de microben concentreerden zich langs scheurtjes in de rots, waar ze in minuscule luchtbelletjes overleefden.
Het team kon ook bevestigen dat de cellen leefden en geen overblijfselen waren van microben die als gevolg van een of ander proces diep onder de grond terecht waren gekomen. Daarbij gebruikten ze een techniek die wordt afgekort als CARD-FISH (Catalyzed Reporter Deposition – Fluorescence In Situ Hybridization) en waarmee ze genetisch materiaal uit de proteïnenfabriek van de cel, het ribosoom, kunnen identificeren. Als een cel afsterft, vallen deze bestanddelen snel uiteen.
Maar de bevestiging riep ook nieuwe vragen op: “Wat doen die blauwalgen daar in godsnaam? Hoe overleven ze?” vraagt Puente-Sánchez zich af.
Niet bang zijn in het donker
Deze cyanobacteriën lijken niet veel te verschillen van het soort microben dat aan de oppervlakte gedijt. Uit metagenomische analyse blijkt dat ze afstammen van rotsbacteriën die in onherbergzame gebieden leven, zoals woestijnen of duistere grotten.
Aangenomen werd dat blauwalgen zelfs in de donkerste grotten kleine aantallen fotonen opvangen die door de ondergrondse ruimte ketsen en dat ze die minuscule hoeveelheden zonne-energie gebruiken om met behulp van fotosynthese water te ontleden en elektronen te produceren. Dus hoe kunnen blauwalgen helemaal zonder licht overleven?
Deze cyanobacteriën lijken hoofdzakelijk te leven op waterstofgas, want overal waar de onderzoekers in de boorkernen veel blauwalgen aantroffen, was er weinig waterstof aanwezig. Het gas is een gebruikelijke voedingsbron voor microben, vooral voor soorten die onder de oppervlakte leven en weinig andere mogelijkheden hebben.
Maar ondergrondse cyanobacteriën lijken hun waterstofelektronen te verwerken en af te geven met behulp van een aangepaste machinerie die normaliter voor de fotosynthese wordt gebruikt. De microben lijken daarbij vooral hun voordeel te doen met een ‘veiligheidsventiel’ in het systeem: een mechanisme waarbij elektronen vrijkomen en kleine hoeveelheden energie worden opgewekt.
Microben aan de oppervlakte hebben deze extra energie niet echt nodig omdat er meer dan genoeg zonlicht is. Zij gebruiken hun ‘veiligheidsventiel’ alleen maar om te voorkomen dat hun cellen worden gekookt als er te veel zonlicht is. Maar cyanobacteriën die diep onder de grond leven, lijken juist te overleven op de minieme hoeveelheden extra energie die worden opgewekt door het afstoten van overtollige elektronen via het ‘veiligheidsventiel’.
Veelzijdige strategie
“Het is echt een geweldig idee,” zegt Jennifer Biddle, een microbieel ecologe van de University of Delaware die niet bij het nieuwe onderzoek was betrokken. “Om dit te kunnen doen, kunnen ze het grootste deel hun machinerie intact laten.”
Toch is dit slimme gebruik van het fotosynthetische systeem niet helemaal een verrassing, zegt Virginia Edgcomb, een microbiologe die is gespecialiseerd in onderzeese en ondergrondse biosferen, en die niet bij de nieuwe studie was betrokken. Micro-organismen die in uitdagende omgevingen leven, moeten zich aanpassen om te overleven.
“Het gaat erom dat je niet alles op één kaart zet,” legt ze uit. “Dat is niet verstandig als je flexibel moet zijn. Je moet verschillende bronnen, zoals koolstof, en verschillende mechanismen, zoals elektronenreceptoren, kunnen inzetten, want de omstandigheden waarin je leeft, zijn behoorlijk beperkt en onvoorspelbaar.”
Volgens Biddle en Edgcomb hebben ze al eerder aanwijzingen voor blauwalgen in ondergrondse monsters gevonden, maar tot nu toe werden deze microben grotendeels over het hoofd gezien of als besmettingen beschouwd.
“Vóór de publicatie van dit artikel was er eigenlijk geen overtuigend bewijs voor de gedachte dat cyanobacteriën in monsters van de ondergrondse biosfeer géén besmettingen waren,” zegt Edgcomb.
Sporen van leven op Mars
De ontdekking kan ook gevolgen hebben voor de zoektocht naar buitenaards leven, zegt Puente-Sánchez. Al langer wordt het landschap rond de Rio Tinto door zijn rijkdom aan ijzer en zwavel beschouwd als een omgeving die vergelijkbaar is met landschappen op Mars.
Deze nieuwste studie onderstreept nog eens het aanpassingsvermogen van het leven op aarde en de mogelijkheid dat ondergrondse levensvormen op de rode planeet beschermd zijn tegen de straling aan de oppervlakte. In 2020 zullen twee rovers naar tekenen van leven op Mars gaan zoeken: de ExoMars van de ESA en Mars 2020 van de NASA. Beide verkenners worden uitgerust met steenboren om in hun zoektocht naar oeroud microbieel leven rotsmonsters te nemen. Heel misschien zullen daarbij veel recentere vormen van leven tevoorschijn komen.
“Ik wil niet beweren dat er cyanobacteriën op Mars zijn,” zegt Puente-Sánchez, die benadrukt dat we een breder beeld moeten vormen van de levensvormen die zich buiten de aarde zouden kunnen ontwikkelen en daar zouden kunnen overleven.
“Wat wij beschouwen als heel onaangename omgevingen – bijvoorbeeld diep onder de grond of op Mars – zijn levensvatbare habitats.”
