Podziemne życie. W poszukiwaniu ukrytej biosfery Ziemi, Marsa i innych planet

Nauka wciąż nie potrafi odpowiedzieć na pytanie, w jaki sposób na naszej planecie pojawiło się życie. Nie wiemy również, jakie warunki muszą być spełnione, by życie mogło powstać, w związku z czym poszukiwanie go poza Ziemią staje się trudnym wyzwaniem.

“Podziemne życie” zabiera czytelnika w podróż w głębiny skorupy ziemskiej, do świata niezwykłych żywych organizmów, które miliony lat temu skolonizowały to ekstremalne środowisko, a także świata badających je naukowców – geomikrobiologów, których odkrycia mogą nam pomóc w poszukiwaniach życia na innych planetach.

Łącząc badania laboratoryjne z ekscytującą przygodą naukową, Tullis C. Onstott odkrywa przed nami egzotyczne formy życia, egzystujące w warunkach, w których jeszcze niedawno nikt nie spodziewałby się znaleźć biosfery.

Wspólnie z autorem docieramy do absolutnych granic ziemskiego życia, gdzie naukowcy mają nadzieję znaleźć odpowiedź na pytanie o jego początki.

Tullis C. Onstott jest profesorem nauk o Ziemi na Uniwersytecie Princeton. W 2007 r. magazyn “Time” umieścił go na liście stu najbardziej wpływowych naukowców na świecie.

PRZEDMOWA

We wrześniu 1996 roku pokonywałem z mozołem czarny jak smoła podziemny korytarz w Western Deep Levels, jednej z najgłębszych kopalni złota należących do koncernu górniczego Anglo American, znajdującej się na zachód od Johannesburga w Republice Południowej Afryki. Na głębokości 3 kilometrów pod powierzchnią Ziemi temperatura i wilgotność były tak wysokie, że odbierały ochotę do myślenia o czymkolwiek. Rano tego dnia mój przewodnik i ja zostaliśmy poinformowani, że kopalniana kolejka nie może nas zabrać w miejsce, gdzie chciałem zbierać próbki, ponieważ akurat na tym poziomie system wentylacyjny jest wyłączony. W związku z tym mój przewodnik postanowił poprowadzić mnie inną drogą wiodącą przez labirynt krętych korytarzy. Po godzinie marszu dotarliśmy wreszcie do przodka – wąskiego, nachylonego korytarza, w którym górnicy urabiali skałę bogatą w złoto i węgiel. Nie spodziewałem się, że wejście do przodka będzie wyglądało jak dziura prowadząca do króliczej nory, tyle że wydrążona w ścianie tunelu, w którym teraz się znajdowaliśmy. Wcisnęliśmy się do tej dziury i zaczęliśmy pokonywać korytarz o wysokości mniej niż metra opadający w dół pod kątem 30 stopni. Tam mój przewodnik w niezrozumiałym dla mnie języku wydał polecenia górnikom, którzy zabrali się do odłączania detonatorów od ładunków wybuchowych umieszczonych już w skale. Gdy oni skończyli, myśmy zaczęli – z warstwy skał bogatych w węgiel wydobywaliśmy ostrożnie duże, blisko dziesięciokilogramowe bloki, które wkładałem do jałowych worków, a następnie wciskałem do plecaka. Za każdym razem, gdy mój kask uderzał w strop wąskiego chodnika, starałem się nie myśleć o tych wszystkich masach skalnych znajdujących się nade mną. Mój przewodnik wraz z częścią próbek zaczął się zsuwać po śliskim, stromym osypisku. „Schodzimy jeszcze głębiej?” – krzyknąłem do niego, trochę zaskoczony. Widziałem tylko jego lampę czołową świecącą gdzieś na dole. Trzymając plecak w jednej ręce, ruszyłem za nim w dół wyrobiska. „Szybko, zaraz zaczną wysadzać skały!” – dobiegło mnie z dołu ponaglające wołanie. W powietrzu czuć było woń spalonych skał. To był prawdziwie piekielny odór ognia i siarki. Całe wyrobisko było nim przesycone. Nigdzie nie widziałem śladów obecności wody, z wyjątkiem małych, rdzawych plamek, które dostrzegłem pół godziny wcześniej i pobrałem ich próbki wraz z kawałkami skał. Gdy w końcu dotarłem do przewodnika, ten chwycił mnie mocno i odciągnął na bok, ponieważ zachwiałem się i niewiele brakowało, bym wpadł do czarnej czeluści. „Uważaj, mój przyjacielu, bo dno jest sto metrów niżej” – zwrócił się do mnie z twardym afrykanerskim akcentem. W pewnym momencie, wciąż wędrując w dół, opuściliśmy przodek przez kolejną króliczą dziurę i znaleźliśmy się w jeszcze głębszym i jeszcze bardziej gorącym korytarzu, który przemierzaliśmy przez godzinę, aż znaleźliśmy to, na czym mi najbardziej zależało. Woda! Skapywała z otworu wydrążonego w stropie na skrzyżowaniu tuneli. W nozdrzach poczułem pieczenie od gryzącego zapachu amoniaku.
Wspiąłem się po rdzewiejącej drucianej siatce osłaniającej ścianę korytarza i wyciągnąłem chronioną rękawicą dłoń w kierunku odwiertu. Do małego pojemnika udało mi się zebrać wystarczająco dużo wody, aby zmierzyć jej temperaturę i odczyn pH. „Fantastycznie! Ma pięćdziesiąt stopni Celsjusza, a jej odczyn wynosi dziewięć” – zawołałem radośnie do mojego przewodnika. Następnie umocowałem sobie na piersi mały plecak, wspiąłem się jeszcze wyżej po siatce i balansując niepewnie na jej uchwytach, napełniłem płynem wszystkie sterylne fiolki, jakie zabrałem ze sobą na tę wyprawę. Gdy zeskoczyłem z siatki na podłogę, natychmiast ruszyliśmy w drogę powrotną. „Śpieszmy się, musimy złapać windę” – popędzał mnie przewodnik, gdy maszerowaliśmy tunelem. Starałem się za nim nadążyć w swoich źle dopasowanych gumiakach. Wciąż poprawiałem obluzowujący się pasek, na którym wisiała bateria do lampy czołowej, i z trudem dotrzymywałem kroku mojemu przewodnikowi, mając na grzbiecie 30 kilogramów skał i próbki wody.
Nareszcie dotarliśmy do dolnej stacji windy. Do jej przyjazdu pozostało parę minut, wykorzystałem je na zrobienie zdjęć. Górnicy, którzy właśnie skończyli swoją zmianę, leżeli w różnych pozycjach na betonowym podłożu z dala od szybu windy, a kierownicy zmiany przysiedli obok nich na małych ławeczkach. Gdy tak strzelałem fotkę za fotką, mój przewodnik zdjął swój kombinezon roboczy i wypiął na mnie pupę. Kierownicy zmiany wybuchnęli śmiechem, górnicy popatrzyli speszeni. Zaśmiałem się nerwowo, lecz gdy w milczeniu czekaliśmy na windę, zapytałem siebie w duchu: „Co ja, u diabła, tutaj robię, tych kilka kilometrów pod ziemią, zbierając próbki do analiz na obecność mikroorganizmów?”. Wyniki badań próbek znajdujących się teraz w moim plecaku miały dostarczyć odpowiedzi na pytanie, czy warto było tu przyjechać. Mogłem znaleźć bakterie, które były odizolowane od powierzchni Ziemi od 2 milionów lat, albo nawet rozwiązać zagadkę pochodzenia ziemskiego życia. Najpierw jednak musiałem szczelnie odizolować próbki od powietrza, a potem zabrać je wszystkie do USA.
W końcu winda przyjechała, a ja powróciłem myślami do teraźniejszości, ładując się do klatki razem z trzydziestoma spoconymi górnikami. Stałem unieruchomiony z ramionami przyciśniętymi do boków; plecak tkwił między moimi nogami. Winda została z trzaskiem zasunięta i zamknięta od zewnątrz. Było ciemno i dziwnie cicho, słychać było tylko ćwierkanie mechanizmów windy. Po chwili szarpnęła i ruszyła do góry, nabierając coraz większej prędkości. Pędziliśmy w stronę chłodnej, słonecznej powierzchni, tak teraz odległej. Przez cały dzień maszerowałem, truchtałem, wspinałem się i czołgałem na głębokości 3 kilometrów w poszukiwaniu ukrytego królestwa życia. Za dziesięć minut miałem znów być bezpieczny na górze.

PODZIĘKOWANIA

Książkę zaludniają liczni naukowcy, górnicy, wiertacze i przedstawiciele innych profesji będący bohaterami przedstawianych tu zdarzeń. Materiały źródłowe pochodzą z osobistych wspomnień, faksów, e-maili, notatek terenowych i obfitej dokumentacji fotograficznej. Wiele z nich pozyskałem od moich współpracowników, za co jestem im dozgonnie wdzięczny. Stanowią oni tylko mały odsetek ludzi, z którymi pracowałem w ciągu ostatnich 25 lat, a którzy wnieśli swój ważny wkład w tę historię. Ponieważ czas i miejsce nie pozwolą mi na uwzględnienie w opowieści wszystkich tych osób, chciałem z góry je za to przeprosić, a jednocześnie najszczerzej im podziękować.
Pragnę również podziękować dyrektorom kopalń, geologom górniczym, górnikom i wiertaczom w Republice Południowej Afryki, USA i Kanadzie. Słowa nie potrafią wyrazić, jak bardzo doceniam to, ile czasu i uwagi poświęciliście, aby pomóc mnie i moim kolegom w minionych 20 latach. Bez waszego wsparcia nie byłoby tej opowieści. Jestem też wdzięczny za waszą troskę o nasze bezpieczeństwo podczas chwilami ryzykownych eskapad.

WSTĘP
JAKIE SĄ GRANICE ŻYCIA NA ZIEMI?

Obecnie nie wiemy dokładnie, w jaki sposób życie pojawiło się na naszej planecie. Ten obraz jest wciąż częściowo przed nami ukryty. Znamy fragmenty łamigłówki, ale nie wiemy, jak w całości ona wygląda. Dopiero w ostatnich dekadach udało nam się dowiedzieć trochę więcej o tym, jakie mogą być granice ziemskiego życia, wciąż jednak szukamy wytłumaczenia, dlaczego owe granice istnieją i jak powstały. Z powodu luk w wiedzy na temat genezy i granic życia na Ziemi niezwykle trudnym wyzwaniem staje się poszukiwanie życia na innych ciałach niebieskich Układu Słonecznego. Książka ta opowiada o eksploracji głębszych warstw lądowej skorupy ziemskiej w celu ustalenia, jakie mogą być granice życia pod powierzchnią kontynentów oraz w jaki sposób nasze próby i odkrycia z ostatnich 25 lat mogą się przydać w tropieniu śladów życia w Układzie Słonecznym, przede wszystkim na Marsie.
Zazwyczaj nie myślimy o skale jak o mateczniku życia. Wykorzystujemy granit jako kamień budowlany, skały wulkaniczne jako żwir drogowy, a z marmuru wytwarzamy blaty stołów i dzieła sztuki. Założę się, że kiedy stoisz przed Dawidem wyrzeźbionym przez Michała Anioła, znajdującym się w Galerii Akademii we Florencji, raczej nie przyjdzie ci do głowy, że w mikroskopijnych porach ukrytych kilka centymetrów pod gładką powierzchnią marmuru z Carrary żyją bakterie. Te bakterie są od milionów lat uwięzione w skale, w której powoli się rozmnażają, uwalniając przy okazji dwutlenek węgla i wytwarzając nanokrystaliczny kalcyt – ten sam minerał, z którego głównie składa się marmur. Wiem dobrze, że kiedy górnicy drążą podziemne tunele, aby wydobywać węgiel spod Appalachów albo pozyskiwać metale z podziemnych kruszconośnych żył w Republice Południowej Afryki, zazwyczaj nie myślą o skałach jako o kolebce życia. Nigdy nie spotkałem wiertacza, który zatrzymałby się na chwilę, aby podumać, czy zbiornik gazu lub ropy, do którego się wwierca, pokonując kilometry skał, może też mieć jakichś swoich mieszkańców.
Jestem geologiem z wykształcenia i jak większość geologów również widziałem w skałach wyłącznie obiekty nieożywione. Badamy mikroskopijne detale budowy skał głównie po to, aby znaleźć najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie, kiedy i w jaki sposób przybrały one obecną postać. Próbujemy wyjaśnić, jakie procesy fizyczne je uformowały i jak te procesy mają się do historii geologicznej naszego globu. Paleontolodzy koncentrują uwagę na skałach zawierających skamieniałe formy życia, które istniały na powierzchni Ziemi w czasach, gdy deponowany był materiał formujący te skały. Niektórzy paleontolodzy zajmujący się skałami z prekambru, czyli z czasów sprzed ekspansji organizmów wielokomórkowych, szukają śladów obecności mikroorganizmów zamieszkujących wówczas powierzchnię naszej planety. W tym celu analizują budowę cząsteczek organicznych, skład znajdujących się w nich izotopów stabilnych, na przykład proporcje węgla ¹³C do węgla ¹²C (¹³C/¹²C), lub też pewne struktury fizyczne w skałach, które mogą być skamieniałymi błonami biologicznymi. Postępują tak, ponieważ chcą zrekonstruować ewolucję życia na powierzchni globu oraz wyjaśnić, jak się to ma do ewolucji ziemskich oceanów i atmosfery. Jednak nawet z ich perspektywy te pradawne mikroorganizmy umierały szybko, w miarę jak piasek i muł, w którym żyły, zmieniały się w skałę. Dla geologów skała jest martwa.
Z naukowego punktu widzenia mikrobiolodzy są przeciwieństwem geologów, nawet wtedy, gdy jedni i drudzy jeżdżą dokładnie w te same rejony świata, aby prowadzić badania terenowe. Mikrobiolodzy pobierają próbki, które przewożą do laboratorium. Tam wyizolowują z nich mikroorganizmy, a następnie przeprowadzają eksperymenty z ich udziałem, aby wydedukować, co robią one w swoim środowisku i jak to robią. W ciągu ostatniego stulecia część tych badaczy uparcie i konsekwentnie poszukiwała mikroorganizmów i znajdowała je w środowiskach, których w pierwszej chwili z pewnością nie uznalibyśmy za gościnne dla życia. W Arktyce wyizolowali oni bakterie mogące się rozmnażać w temperaturze ujemnej (psychrofile), a w gorących źródłach Parku Narodowego Yellowstone odkryli bakterie świetnie sobie radzące w temperaturach bliskich temperaturze wrzenia wody (termofile i hipertermofile). Również w Yellowstone natrafiono na mikroby potrafiące żyć w środowisku kwaśnym (acydofile). W silnie zasolonych wulkanicznych jeziorach sodowych w Afryce Wschodniej mikrobiolodzy znaleźli bakterie doskonale czujące się przy pH 10 (alkafile). Jeden z pionierów mikrobiologii Antonie van Leeuwenhoek w XVII wieku robił eksperymenty, które doprowadziły do odkrycia mikrobów żyjących bez dostępu tlenu (anaeroby). Mikrobiolodzy znaleźli także bakterie znane jako Gram-dodatnie, które wykazują niezwykłą zdolność do długiego przebywania w stanie uśpienia jako przetrwalniki. Pozbawione substancji pokarmowych mogą przebywać pod taką postacią przez wiele dekad, aż do momentu, gdy w ich otoczeniu pojawią się woda i pokarm. W istocie mikrobiologom coraz trudniej przychodzi znalezienie takiego zakątka na powierzchni Ziemi, niezależnie od tego, jak surowe środowisko penetrują, gdzie nie dałoby się znaleźć jakiegoś jednokomórkowca, którego można hodować w laboratorium.
Geolodzy po raz pierwszy połączyli siły z mikrobiologami w latach dwudziestych XX wieku, aby wspólnie wyruszyć do królestwa, do którego mikrobiolodzy wcześniej nie zaglądali: do podziemi. Edson Sunderland Bastin, specjalista geologii gospodarczej z Uniwersytetu Chicagowskiego, oraz bakteriolog Frank E. Greer z Wydziału Higieny i Bakteriologii tej samej uczelni postanowili wspólnie zweryfikować pewną prostą hipotezę. Twierdzili, że kwaśna ropa (ropa zawierająca siarkowodór, czyli H₂S, a więc ten sam gaz, który uwalnia się z zepsutych jaj) jest dziełem beztlenowych bakterii redukujących siarczany zwanych w skrócie SRB (od ang. sulfate reducing bacteria). W laboratorium Greer zaczął hodować w wysokiej temperaturze SRB dostarczone mu przez Bastina, który znalazł mikroorganizmy w wodzie wypływającej z szybów naftowych penetrujących formacje geologiczne z epoki pensylwanu. Okazało się, że ich podejrzenia były słuszne! Jednak wtedy narodziło się drugie, bardziej interesujące pytanie: czy owe SRB pojawiły się w tej formacji skalnej wraz z jej osadzeniem się na dnie oceanów i od 300 milionów lat stale w niej mieszkają głęboko pod powierzchnią? Na to pytanie żaden bakteriolog nie mógł odpowiedzieć, posługując się jedynie dedukcją. Odpowiedzi nie mógł też udzielić geolog.
Nie tylko Bastin i Greer spekulowali na temat możliwości istnienia podziemnego życia o bardzo starych korzeniach. Przed I wojną światową mikrobiolodzy w Niemczech rozpoczęli badania w swoich najgłębszych kopalniach węgla kamiennego. Szukali bakterii zamieszkujących warstwy węglowe, chcąc sprawdzić hipotezę, że takie organizmy mogłyby być żywymi skamieniałościami bakterii, które 300 milionów lat temu zamieszkiwały torfowiska potem zmienione w pokłady węgla. Dlaczego ówcześni mikrobiolodzy wierzyli w to, że bakterie mogą być takie długowieczne? Jeden z nich, Charles Bernard Lipman z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, pisał w artykule opublikowanym w 1931 roku w „Journal of Bacteriology”:
Od kiedy rozpocząłem badania, byłem wiele razy pytany, co skłoniło mnie do rozpoczęcia takich poszukiwań, skoro jedyną rzeczą, jakiej należało się po nich a priori spodziewać, był wynik negatywny. Odpowiedź jest taka, że w ciągu 20 lat poprzedzających moje eksperymenty nagromadziło się wiele dowodów na to, że bakterie i ich przetrwalniki są bardzo odporne i, jak pokazują znane mi przykłady, potrafią przetrwać nawet 40 lat. Patogeny wyhodowane z bardzo starych przetrwalników nic nie traciły ze swojej zjadliwości, a bakterie uwolnione z butelek, w których były zamknięte przez cztery dekady wraz z próbkami gleby, szybko odzyskały żywotność. Jedno i drugie dało mi wiele do myślenia1.

Wiele jednak bakterii pozyskanych z pokładów węgla kamiennego i ropy naftowej w latach dwudziestych i trzydziestych XX wieku, w tym wytwarzające przetrwalniki bakterie Lipmana, zostało zdyskwalifikowanych – były to współczesne zanieczyszczenia, które przywędrowały z powierzchni. Działalność wiertnicza lub górnicza nie jest sterylna. I nigdy nie będzie. Niezrażeni tymi trudnościami mikrobiolodzy donosili o znalezieniu bakterii wytwarzających alkany, co zachęciło ich do spekulowania na temat bakteryjnej genezy pokładów ropy. Geolodzy odrzucali jednak tę ideę, przede wszystkim dlatego, że preferowali swój geologiczny model, który powstanie ropy tłumaczył całkiem wiarygodnie termiczną przemianą martwej materii organicznej. Model ten miał bardzo solidne podstawy. Opierał się na uważnej obserwacji tego, kiedy i gdzie w zapisie geologicznym ropa tworzyła się i dokąd migrowała, a także na rozumowaniu indukcyjnym opierającym się na założeniu, że do powstania złóż ropy naftowej i gazu ziemnego może dojść po spełnieniu pewnych uniwersalnych warunków, niezależnie od lokalizacji i epoki geologicznej. Podziemne bakterie były zwyczajnie zbędne przy wyjaśnianiu genezy tych surowców. W następnych dekadach mikrobiolodzy od czasu do czasu informowali o odkryciu bakterii pochodzących z głębin skorupy ziemskiej, ale za każdym razem ich doniesienia odrzucano, twierdzono bowiem, że to, co znaleźli, to zanieczyszczenie z powierzchni. W latach pięćdziesiątych XX wieku jedynymi, którzy uparcie obstawali przy istnieniu podziemnego życia i kluczowej roli bakterii w powstawaniu wielu ważnych ekonomicznie złóż surowców, byli mikrobiolodzy radzieccy. Na początku kolejnej dekady ukuli nawet termin „mikrobiologia geologiczna”, którą zajmowali się geomikrobiolodzy2. Jednakże nic mi nie wiadomo o kolejce badaczy chętnych, by stać się geomikrobiologami. W latach siedemdziesiątych nawet mikrobiolodzy zajmujący się organizmami glebowymi uważali, że „głębokość jest jeszcze jedną drugorzędną zmienną środowiskową kontrolującą bakterie. W umiarkowanych strefach klimatycznych niemal wszystkie te organizmy żyją do głębokości metra, a przeważnie w najwyższych kilku centymetrach gleby”3. Wśród geologów i mikrobiologów rozpowszechniony był pogląd, że każda bakteria próbująca przetrwać w mikroskopijnych szczelinach i porach skalnych odciętych od światła słonecznego musiałaby cały czas walczyć o życie, a ocaleć mogłaby tylko dzięki skromnym i okazjonalnym dostawom materii organicznej docierającej z wyżej położonego poziomu glebowego.
W tym czasie znaleziono pierwsze społeczności organizmów zamieszkujące czarne kominy hydrotermalne (black-smoker vents) na dnie Oceanu Spokojnego nieopodal wysp Galapagos, gdzie, jak wiemy, świat ujrzała darwinowska teoria ewolucji napędzanej doborem naturalnym. Przed odkryciem rurkoczułkowca Riftia pachyptila zamieszkującego oceaniczne kominy hydrotermalne nikt nawet nie wyobrażał sobie, że tak złożone organizmy i ekosystemy mogą funkcjonować w kompletnych ciemnościach na dnie oceanów wyłącznie dzięki chemicznej diecie. A jednak wiele kilometrów pod powierzchnią mórz jest, jak się okazuje, wystarczająco dużo miejsca do rozwoju takich ekosystemów. Mimo to wciąż wydawało się kompletnie nieprawdopodobne, aby złożone ekosystemy mogły egzystować w drobnych porach skalnych setki metrów pod ścianami Yosemite, lasem równikowym Amazonii, pustynnymi wydmami Sahary, lądolodem Antarktydy czy też polami pszenicy w Kansas. W latach siedemdziesiątych XX wieku uważano powszechnie, że z wyjątkiem paru płytkich warstw wodonośnych, głębsze poziomy naszej planety są generalnie środowiskiem sterylnym. Po prostu brakuje tam miejsca i energii, aby podtrzymać życie przez dłuższy czas.