Derin biyosfer - Deep biosphere

Derin biyosfer parçası olan biyosferin o yüzeyin ilk birkaç metre altında bulunduğu. 120°C'nin üzerine çıkabilen sıcaklıklarda kıta yüzeyinin en az 5 kilometre altına ve deniz yüzeyinin 10,5 kilometre altına kadar uzanır. Yaşamın üç alanını da içerir ve genetik çeşitlilik, yüzeyde rekabet eder.

Derin yaşamın ilk belirtileri 1920'lerde petrol sahalarında yapılan çalışmalardan geldi, ancak 1980'lerde yüzeyden kontaminasyonu önlemek için yöntemler geliştirilene kadar organizmaların yerli oldukları kesin değildi. Örnekler artık okyanusta ve karada derin madenlerde ve bilimsel sondaj programlarında toplanıyor . Daha kapsamlı çalışmalar için derin gözlemevleri kurulmuştur.

Yüzeye yakın canlı organizmalar organik madde tüketir ve oksijen solur. Bunlar "yenilebilir" (faydalanmak bu yüzden bu, mevcut değildir, aşağı indirin elektron vericiler gibi) hidrojen, (farklı kimyasal usuller ile kaya salınan), metan (CH ₄ ), düşük kükürt bileşikleri ve amonyum (NH ₄ ). Bu "nefes" elektron alıcıları gibi nitratlar ve nitritler , manganez ve demir oksitler , oksitlenmiş kükürt bileşikleri ve karbon dioksit (CO ₂ ). Daha derinlerde çok az enerji vardır, bu nedenle metabolizmalar yüzeydekinden bir milyon kat daha yavaştır. Hücreler bölünmeden önce binlerce yıl yaşayabilir ve yaşlarının bilinen bir sınırı yoktur.

Yeraltı , yaşamın iki alanında, Archaea ve Bakterilerde biyokütlenin yaklaşık %90'ını ve biyosfer için toplamın %15'ini oluşturur. Bazı çok hücreli yaşam mantarları ve hayvanlar ( nematodlar , yassı solucanlar , rotiferler , annelidler ve eklembacaklılar ) dahil olmak üzere ökarya da bulunur . Virüsler de mevcuttur ve mikropları enfekte eder.

Tanım

Derin biyosfer, organizmaların ekosistemi ve derin yeraltındaki yaşam alanıdır. Deniz tabanı için, derin yeraltının operasyonel bir tanımı, hayvanlar tarafından biyolojik olarak bozulmayan bölgedir; bu genellikle yüzeyin yaklaşık bir metre veya daha fazla altındadır. Kıtalarda topraklar hariç birkaç metrenin altındadır. Bu bölgedeki organizmalara bazen dünya içi canlılar denir .

Tarih

At Chicago Üniversitesi 1920'lerde, jeolog Edson Bastin petrol yatakları çıkarılan su içerdiği açıklamaya çabasıyla mikrobiyolog Frank Greer da yardım aldı hidrojen sülfit ve bikarbonatları . Bu kimyasallar normalde bakteriler tarafından oluşturulur, ancak su, ısı ve basıncın yaşamı destekleyemeyecek kadar büyük olduğu düşünülen bir derinlikten geldi. Sudan anaerobik sülfat indirgeyen bakterileri kültürleyebildiler , bu da kimyasalların bakteri kökenli olduğunu gösterdi.

Yine 1920'lerde, Berkeley'deki California Üniversitesi'nde mikrobiyolog olan Charles Lipman , 40 yıldır şişelerde kapalı kalan bakterilerin yeniden canlandırılabileceğini fark etti - şimdi anhidrobiyoz olarak bilinen bir fenomen . Aynı şeyin kömür damarlarındaki bakteriler için de geçerli olup olmadığını merak etti. Kömür örneklerini sterilize etti, ıslattı, ezdi ve ardından kömür tozundan bakteri üretmeyi başardı. Kömürü 160 santigrat derecede 50 saate kadar pişiren bir sterilizasyon prosedürü aslında onların büyümesini teşvik etti. Sonuçları 1931'de yayınladı.

Yeraltı yaşamına ilişkin ilk çalışmalar, 1930'ların sonundan 1950'lere kadar "deniz mikrobiyolojisinin babası" olan Claude E. Zobell tarafından yapılmıştır . Çekirdek derinliği sınırlı olmasına rağmen, tortuların örneklendiği her yerde mikroplar bulundu. Artan derinlikle birlikte aeroblar , anaeroblara yol açtı .

Çoğu biyologlar dalgıç özellikle sonra, kirlenme gibi yeraltı mikropları görevden Alvin 1968 yılında batan ve bilim adamları arkasında öğle bırakarak kaçtı. Tüm Alvin geri kazanıldı, öğle yemeği mikrobiyal bozulma belirtisi gösterdi. Bu, derin denizin (ve buna bağlı olarak yeraltının) cansız bir çöl olarak görülmesini güçlendirdi. Derin biyosferin incelenmesi, kendilerine jeomikrobiyolog olarak atıfta bulunmaya başlayan bazı Sovyet mikrobiyologları dışında, onlarca yıldır uykudaydı .

Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı nükleer atıkları gömmek için güvenli bir yol ararken , yeraltı yaşamına olan ilgi yeniden canlandı ve Frank J. Wobber , yüzeyin altındaki mikropların gömülü atıkları bozarak ya da mühürlü kapları kırarak engelleyebileceğini fark etti. . Derin yaşamı incelemek için Yeraltı Bilim Programını kurdu. Kirlenme sorununu çözmek için, karot numunesi ile matkap ucunu yağlayan sondaj sıvısı arasındaki teması en aza indirecek özel ekipman tasarlanmıştır . Ek olarak, çekirdeğe nüfuz edip etmediğini göstermek için sıvıya izleyiciler eklendi. 1987'de Savannah Nehri Bölgesi yakınında birkaç sondaj deliği açıldı ve mikroorganizmaların bol ve çeşitli olduğu yüzeyin en az 500 metre altında bulundu.

1983'ten bugüne kadar, mikrobiyologlar Okyanus Sondaj Programından (şimdi Uluslararası Okyanus Keşif Programı ) sondaj karotlarındaki hücre bolluğunu analiz ediyor . John Parkes tarafından yönetilen bir grup Bristol Üniversitesi 10 düzeyleri rapor ⁴ 10 için ⁸ de 500 metre derinliğe (tarımsal topraklarda yaklaşık 10 içeren tortu gramı başına hücre ⁹ gram başına hücre). Bu başlangıçta şüpheyle karşılandı ve sonuçlarını yayınlamaları dört yıl sürdü. 1998'de William Whitman ve meslektaşları Proceedings of the National Academy of Sciences'da on iki yıllık verilerin bir özetini yayınladılar . Tüm prokaryotların (arkeler ve bakteriler) %95'e kadarının derin yeraltında, %55'i denizaltında ve %39'u karasal yeraltında yaşadığını tahmin ettiler . 2002 yılında, Ocean Drilling Program Leg 201, derin yaşam arayışıyla motive edilen ilk kişi oldu. Önceki keşiflerin çoğu kıta kenarlarındaydı, bu nedenle amaç, karşılaştırma için açık okyanusta sondaj yapmaktı. 2016 yılında Uluslararası Okyanus Keşif Programı Bacak 370 deniz tortu içine delinmiş Nankai Akresyon Prism ve 10 gözlenen ² 118 ° C'de vejetatif hücreleri.

Mikrobiyal yaşamın derinlemesine anlaşılması, 1992'de Thomas Gold'un Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabında "Derin, Sıcak Biyosfer" başlıklı bir makale yayınlamasıyla , oşinografi alanının ötesine yer bilimlerine (ve hatta astrobiyolojiye) genişletildi. yedi yıl sonra kitabı The Deep Hot Biosphere tarafından yayınlandı . Gazeteci William Broad'ın The New York Times'da yayınlanan ve "Geniş Yeraltı Dünyasında Garip Yeni Mikroplar İpuçları" başlıklı 1993 tarihli bir makalesi , Gold'un tezini kamuoyunun dikkatine sundu. Makale şöyle başlıyordu: "Yeryüzünün derinliklerinde o kadar bol miktarda yeni mikrobiyal yaşam biçimleri keşfediliyor ki, bazı bilim adamları gezegenin, toplam kütlesi tüm yüzey yaşamına rakip olabilecek veya onu aşabilecek, kilometrelerce aşağı uzanan gizli bir biyosfere sahip olduğundan şüphelenmeye başlıyorlar. Bilim adamları, derin bir biyosfer varsa, keşfinin ders kitaplarını yeniden yazacağını ve yaşamın kökeninin gizemine yeni bir ışık tutacağını söylüyor. Şüpheciler bile, bu tezin yeraltı dünyası hakkında yeni araştırmaları garanti edecek kadar ilgi çekici olduğunu söylüyor."

1993 tarihli makale, Gold'un tezinin astrobiyoloji araştırmaları için olasılıkları nasıl genişlettiğini de ele alıyor : "Cornell Üniversitesi'nde cesur teoriler geliştirmesiyle tanınan bir astrofizikçi olan Dr. Thomas Gold, gezegenlerin ve ayların yüzeylerinin altında tenha ve enerji dolu yeraltı yaşamının kozmosu noktalayabileceğini öne sürdü. yakındaki yıldızların ısınma radyasyonuna ihtiyaç duymadan jeolojik süreçlerle.Geçen yıl The Proceedings of the National Academy of Sciences'ta güneş sisteminin en az 10 derin biyosfer barındırabileceğini yazmıştı.'Böyle bir yaşam evrende geniş bir alana yayılmış olabilir. ' dedi, 'çünkü benzer yer altı koşullarına sahip gezegen tipi cisimler, diğer güneş tipi sistemlerde olduğu gibi uzayda da yalnız nesneler olarak yaygın olabilir."

Freeman Dyson , Gold'un 1999 tarihli kitabının önsözünü yazdı ve burada şu sonuca vardı: "Gold'un teorileri her zaman orijinal, her zaman önemli, genellikle tartışmalı ve genellikle doğrudur. Benim inancım, Gold'un bir arkadaş ve meslektaş olarak elli yıllık gözlemine dayanarak, derin sıcak biyosfer yukarıdakilerin hepsidir: orijinal, önemli, tartışmalı - ve doğru."

Dyson ayrıca 2004 yılında Gold'un anma töreninde derin sıcak biyosfer teorisiyle ilgili bir bölümü youtube'da yayınlanan bir anma konuşması yaptı.

Gold'un ölümünün ardından, bilimsel keşifler derin biyosfer anlayışını güçlendirdi ve değiştirdi. Bununla birlikte, 1999 tarihli kitabında ortaya atılan bir Altın terimi, ileriye doğru gidiyor ve savunduğu dünya görüşü değişimini hatırlatıyor. Terim " yüzey şovenizmi "dir. Gold şöyle yazdı: "Geçmişe bakıldığında, bilim camiasının neden tipik olarak sadece göklerde yüzeysel yaşam aradığını anlamak zor değil . Bilim adamlarının bir tür 'yüzey şovenizmi' tarafından engellendikleri görülüyor.

Bilimsel yöntemler

Yeraltı biyolojisinin mevcut anlayışı, numune toplama, saha analizi, moleküler bilim, yetiştirme, görüntüleme ve hesaplama için teknolojideki sayısız ilerlemeyle mümkün olmuştur.

Örnek koleksiyon

Okyanus tabanından sondaj kuyuları açılarak ve karotlar toplanarak örneklenir. Yöntemler, farklı kaya türlerine uyarlanmalıdır ve delme maliyeti, delinebilecek delik sayısını sınırlar. Mikrobiyologlar bilimsel sondaj programlarından yararlandılar: JOIDES Çözünürlük sondaj platformunu kullanan Okyanus Sondajı Programı (ODP) ve Japon gemisi Chikyū'yi kullanan Entegre Okyanus Sondajı Programı (IODP) .

Güney Afrika altın madenleri ve Finlandiya'daki Pyhäsalmi bakır ve çinko madeni gibi derin yeraltı madenleri, derin biyosferi örnekleme fırsatları sağlamıştır. Derin yeraltı ayrıca seçilmiş veya önerilen nükleer atık deposu sitelerinde (örneğin örneklenir edilmiştir Yucca Dağı ve Atık İzolasyon Pilot fabrikasında ABD'de ASPO ve İsveç'te çevresinde Onkalo ve Finlandiya'da çevresinde, Mont Terri İsviçre'de). Kıtasal derin yeraltının bilimsel sondajı , Uluslararası Kıtasal Bilimsel Sondaj Programı (ICDP) tarafından desteklenmiştir.

Sürekli yeraltı örneklemesine izin vermek için çeşitli gözlemevleri geliştirilmiştir. Okyanus tabanında, Sirkülasyon Engelleme Güçlendirme Kiti (CORK), deniz suyu akışını kesmek için bir sondaj deliği kapatır. MANTAR gelişmiş bir versiyonu kullanılarak açılan deliğin birden bölümleri kapatmak mümkün Pakerler'i , arasında boşluk mühür şişirmek kauçuk borular delme tertibatının ve sondaj kuyusunun çeperine. Sedimentlerde, Yerinde Ölçüm Parametreleri için Basit Kablolu Alet (SCIMPI), bir sondaj deliği çöktükten sonra kalacak ve ölçüm yapacak şekilde tasarlanmıştır.

Paketleyiciler, aynı zamanda , yerinde akış reaktörü (FTISR) gibi cihazlarla birlikte kıtasal yeraltında da kullanılır . Bu bölgelerden sıvıları çıkarmak için pasif gaz örnekleyiciler, U-tüp sistemleri ve ozmotik gaz örnekleyiciler dahil olmak üzere çeşitli yöntemler kullanılır . Dar (50 mm'den az) deliklerde, tüm bir sıvı sütununu örneklemek için geri basınç valfli poliamid tüpler alçaltılabilir.

Alan analizi ve manipülasyon

Bazı yöntemler mikropları çıkarmak yerine yerinde analiz eder. Gelen biogeophysics , jeolojik malzeme özellikleri üzerindeki mikrop etkileri uzaktan elektrik sinyalleri kullanılarak sondalandı. Mikroplar, karbon-13 gibi kararlı bir izotop kullanılarak etiketlenebilir ve daha sonra nereye gittiklerini görmek için toprağa yeniden enjekte edilebilir. Bir "itme-çekme" yöntemi, bir akifere bir sıvının enjeksiyonunu ve enjekte edilen sıvının yeraltı suyu ile bir karışımının çıkarılmasını içerir; ikincisi daha sonra hangi kimyasal reaksiyonların meydana geldiğini belirlemek için analiz edilebilir.

Moleküler yöntemler ve yetiştirme

Modern moleküler biyolojideki yöntemler, hücrelerden nükleik asitlerin, lipidlerin ve proteinlerin çıkarılmasına, DNA dizilimine ve kütle spektrometrisi ve akış sitometrisi kullanılarak moleküllerin fiziksel ve kimyasal analizine izin verir . Bireyler yetiştirilemese bile bu yöntemleri kullanarak mikrobiyal topluluklar hakkında çok şey öğrenilebilir. Örneğin, Kaliforniya'daki Richmond Madeni'nde bilim adamları, dört yeni bakteri türünü, üç yeni arke türünü ( Arkeal Richmond Madeni asidofilik nanoorganizmaları olarak bilinir ) ve bakterilere özgü 572 proteini tanımlamak için pompalı tüfek dizilimi kullandılar .

jeokimyasal yöntemler

Derin mikroorganizmalar çevrelerinin kimyasını değiştirir. Metabolizma kaynaklı besin ve ürün atıkları tüketirler . Bu nedenle, deniz altı numunelerindeki kimyasal bileşimleri ölçerek derin mikroorganizmaların aktivitelerini tahmin edebiliriz. Tamamlayıcı teknikler , kimyasalların veya ilgili minerallerin izotop bileşimlerinin ölçülmesini içerir .

Yaşam koşulları

Yaşamın metabolik aktiviteye sahip olması için , çevredeki termodinamik dengesizlikten yararlanabilmesi gerekir . Bu, olivin minerali açısından zengin olan mantodan gelen kayaların deniz suyuna maruz kalması ve serpantin mineralleri ve manyetit oluşturmak üzere deniz suyuyla reaksiyona girmesiyle ortaya çıkabilir . Denge dışı koşullar ayrıca hidrotermal menfezler , volkanizma ve jeotermal aktivite ile ilişkilidir . Yaşam için habitat sağlayabilecek diğer süreçler arasında cevher kütlelerinde yuvarlanma cephesi gelişimi, dalma , metan klatrat oluşumu ve ayrışması, permafrost eritme, kızılötesi radyasyon ve sismik aktivite sayılabilir . İnsanlar ayrıca, özellikle yeraltındaki kirleticilerin iyileştirilmesi yoluyla yaşam için yeni yaşam alanları yaratır .

Enerji kaynakları

Yaşam, adenozin trifosfat (ATP) oluşturmak için yeterli enerjiye ihtiyaç duyar . Güneş ışığı olduğu yerde, enerji çekmek için süreçler olan fotosentez ile (güneş ışığında enerji koşum dönüştürülmesi , karbon dioksit içine organik moleküller ve benzeri) solunum (molekülleri ve serbest bırakır karbondioksit tüketir). Yüzeyin altında, ana enerji kaynağı kimyasal redoks (indirgenme-oksidasyon) reaksiyonlarından gelir. Bunun için elektron donörleri (oksitlenebilen bileşikler) ve elektron alıcıları (indirgenebilen bileşikler) gerekir. Böyle bir reaksiyonun bir örneği metan oksidasyonudur:

CH ₄ + O ₂ → CO ₂ + 2 H ₂ O

Burada CH ₄ verici ve O ₂ alıcıdır. Bağışçılar "yenilebilir" ve alıcılar "nefes alabilir" olarak kabul edilebilir.

Metabolik bir reaksiyonda salınan enerji miktarı, ilgili kimyasalların redoks potansiyeline bağlıdır . Elektron donörleri negatif potansiyele sahiptir. En yüksekten en düşüğe redoks potansiyeli, yeraltında bulunan bazı yaygın donörler organik madde, hidrojen, metan, indirgenmiş kükürt bileşikleri, indirgenmiş demir bileşikleri ve amonyumdur. En olumsuzdan en aza doğru, bazı alıcılar oksijen, nitratlar ve nitritler , manganez ve demir oksitler, oksitlenmiş kükürt bileşikleri ve karbondioksittir.

Elektron donörleri arasında organik madde en negatif redoks potansiyeline sahiptir. Güneş ışığının mevcut olduğu veya yerel organizmalar tarafından üretildiği bölgelerden gelen tortulardan oluşabilir. Taze malzeme eskimeye göre daha kolay kullanılır. Karasal organik maddenin (esas olarak bitkilerden) işlenmesi genellikle denizden (fitoplankton) daha zordur. Bazı organizmalar , fermantasyon ve hidroliz kullanarak organik bileşikleri parçalayarak diğerlerinin onu tekrar karbondioksite dönüştürmesini mümkün kılar. Hidrojen iyi bir enerji kaynağıdır, ancak rekabet onu kıt hale getirme eğilimindedir. Serpantinizasyon ile üretildiği hidrotermal akışkanlar açısından özellikle zengindir. Birden fazla tür, fermantasyonu metanojenez ile ve demir oksidasyonunu hidrojen tüketimi ile birleştirebilir . Metan çoğunlukla deniz tortullarında, gaz halinde (çözünmüş veya serbest) veya metan hidratlarda bulunur . Yaklaşık %20'si abiyotik kaynaklardan (organik maddenin parçalanması veya serpantinleşme) ve %80'i biyotik kaynaklardan (karbon dioksit, karbon monoksit ve asetat gibi organik bileşikleri azaltan ) gelir. Metanın %90'ından fazlası, yüzeye ulaşmadan önce mikroplar tarafından oksitlenir; bu faaliyet "Dünyadaki sera gazı emisyonları ve iklim üzerindeki en önemli kontrollerden biridir." Elementel kükürt, hidrojen sülfür (H ₂ S) ve pirit (FeS ₂ ) gibi indirgenmiş kükürt bileşikleri, metal açısından zengin sıvılar deniz suyuyla temas ettiğinde çökeldikleri bazaltik kabuktaki hidrotermal havalandırmalarda bulunur . Sedimentlerdeki indirgenmiş demir bileşikleri esas olarak demir oksitlerin anaerobik indirgenmesiyle biriktirilir veya üretilir .

En yüksek redoks potansiyeline sahip elektron alıcısı oksijendir. Fotosentez ile üretilir ve okyanus tabanına taşınır. Orada, çok fazla organik malzeme varsa hızla alınır ve yalnızca ilk birkaç santimetrede bulunabilir. Organik-fakir tortullarda, okyanus kabuğuna kadar daha derinlerde bulunabilir. Nitrat, organik maddenin bozunması veya azot fiksasyonu ile üretilebilir. Oksijen ve nitrat fotosentezden türetilir, bu nedenle onları kullanan yeraltı toplulukları yüzeyden gerçekten bağımsız değildir.

besinler

Tüm yaşam, karbon, azot, fosfor ve nikel, molibden ve vanadyum gibi bazı eser elementler gerektirir . Dünya'daki karbonun %99,9'undan fazlası kabukta ve üstündeki tortularda depolanır, ancak bu karbonun mevcudiyeti ortamın oksidasyon durumuna bağlı olabilir. Organik karbon, azot ve fosfor, esas olarak kıta kenarlarında biriken karasal çökellerde bulunur. Organik karbon esas olarak okyanusların yüzeyinde fotosentez ile üretilir veya karasal tortularla okyanuslara yıkanır. Derin denizlerde kemosentez ile sadece küçük bir kısım üretilir . Organik karbon okyanus yüzeyinden deniz tabanına çöktüğünde, organik karbonun çoğu deniz suyundaki organizmalar tarafından tüketilir. Bu batan organik karbonun sadece küçük bir kısmı deniz tabanına ulaşabilir ve derin biyosfere ulaşabilir. Derin olarak deniz sediment , organik içeriği daha da düşer. Fosfor, bazaltlar ve sülfür kayaçları aşındığında demir oksihidroksitler tarafından alınır ve bu da kullanılabilirliğini sınırlar. Besinlerin mevcudiyeti derin biyosferi sınırlandırıyor, nerede ve ne tür derin organizmaların gelişebileceğini belirliyor.

Baskı yapmak

Atmosfer basıncı 101  kilopaskaldır (kPa). Okyanusta, basınç her m derinlikte 10.5 kPa oranında artar, bu nedenle tipik bir deniz tabanı derinliğinde (3800 m) basınç 38 megapaskaldır (MPa). Bu derinliklerde suyun kaynama noktası 400 °C'nin üzerindedir. Mariana Çukuru'nun dibindeki basınç 110 MPa'dır. Litosferde basınç 22,6 kPa/m artar. Derin biyosfer, Dünya yüzeyindeki basınçtan çok daha yüksek basınçlara dayanır.

Artan basınç lipidleri sıkıştırarak zarları daha az sıvı hale getirir. Çoğu kimyasal reaksiyonda ürünler, reaktanlardan daha fazla hacim kaplar, bu nedenle reaksiyonlar basınçla engellenir. Bununla birlikte, bazı çalışmalar, yüzeyden gelen hücrelerin 1 gigapaskal (GPa) basınçta hala aktif olduğunu iddia ediyor. 100 MPa'nın üzerindeki basınçlarda optimal büyümenin meydana geldiği ve bazıları 50 MPa'nın altındaki basınçlarda gelişmediği piezofiller de vardır .

2019 itibariyle, derin okyanustan ve yeraltından alınan organizmaların çoğu numunesi, yüzeye çıkarıldığında dekompresyona uğrar. Bu, hücrelere çeşitli şekillerde zarar verebilir ve yüzey basınçlarındaki deneyler, derin biyosferdeki mikrobiyal aktivitenin yanlış bir resmini verir. Numune alma sırasında ve sonrasında laboratuvarda yerinde basıncı korumak için bir Basınçlı Sualtı Numune Alma Cihazı (PUSH50) geliştirilmiştir .

Sıcaklık

Yüksek sıcaklıklar organizmaları strese sokar, DNA ve amino asitler gibi önemli moleküllere zarar veren süreçlerin hızlarını arttırır . Ayrıca bu molekülleri onarmak için gereken enerjiyi de arttırır. Ancak hücreler, onları stabilize etmek için bu moleküllerin yapısını değiştirerek yanıt verebilir.

Eğer basınç suyun kaynamasını önleyecek kadar yüksekse, mikroplar 100 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda hayatta kalabilir. Bir organizmanın bir laboratuvarda kültürlendiği en yüksek sıcaklık, 20 MPa ve 40 MPa basınçlar altında 122°C'dir. Yaşamı sürdürebilecek en yüksek sıcaklık için teorik tahminler 150 °C civarındadır. 120 °C izoterm okyanus ortası sırtlarda ve deniz dağlarında 10 m'den daha az derinlikte olabilir, ancak derin deniz hendekleri gibi diğer ortamlarda kilometrelerce derin olabilir. Okyanus çökeltilerinin hacimce yaklaşık %39'u 40 °C ile 120 °C arasındaki sıcaklıklardadır.

Rekor kıran termofil, Methanopyrus kandlerii , bir hidrotermal menfezden izole edildi. Hidrotermal menfezler bol miktarda enerji ve besin sağlar. Birkaç Archaea ve Bakteri grubu, 80 °C ile 105 °C arasındaki sıcaklıklarda sığ deniz tabanında gelişir. Çevre, daha derinde olduğu gibi, daha fazla enerji sınırlı hale geldikçe, bakteriler hayatta kalabilir ancak sayıları azalır. Çekirdekli çökeltilerde 118 °C'ye kadar olan sıcaklıklarda mikroorganizmalar tespit edilmesine rağmen, organizmaları izole etme girişimleri başarısız olmuştur. Konumun daha derin kısmından daha az hücreli derinlik aralıkları da olabilir. Bu tür 'düşük hücreli veya hücresiz aralıkların' nedenleri hala bilinmemektedir, ancak yeraltındaki sıcak sıvı akışıyla ilgili olabilir. Derin petrol rezervuarlarında 80 °C'den daha sıcak hiçbir mikrobiyal aktivite görülmemiştir.

Enerji kısıtlaması ile yaşamak

Yeraltının çoğunda, organizmalar aşırı enerji ve besin sınırlaması koşullarında yaşarlar. Bu, hücrelerin laboratuvarlarda kültürlendiği koşullardan çok uzak. Bir laboratuvar kültürü bir dizi öngörülebilir aşamadan geçer. Kısa bir gecikme evresinden sonra, nüfusun 20 dakika gibi kısa bir sürede ikiye katlanabileceği üstel bir büyüme dönemi vardır. Hemen hemen tüm hücrelerin öldüğü bir ölüm aşaması izler. Geri kalanlar, daha fazla substrat girişi olmaksızın yıllarca dayanabilecekleri uzun bir sabit aşamaya girerler. Bununla birlikte, her canlı hücrenin beslenmesi gereken 100 ila 1000 ölü hücre vardır, bu nedenle yeraltına kıyasla hala bol miktarda besin içerirler.

Yeraltında hücreler , yüzeydekinden 10.000 ila bir milyon kat daha yavaş katabolize olurlar (enerji veya yapı malzemeleri için molekülleri parçalarlar). Biyokütlenin devrilmesi yüzyıllar veya bin yıllar alabilir . Hücrelerin ulaşabileceği yaş konusunda bilinen bir sınır yoktur. Mevcut virüsler hücreleri öldürebilir ve ökaryotlar tarafından otlanıyor olabilir, ancak buna dair bir kanıt yok.

Hücreleri canlı tutmak ama büyümemek için gereken enerji konusunda net sınırlar belirlemek zordur. Ozmotik basıncın korunması ve enzimler ve RNA gibi makromoleküllerin bakımı gibi bazı temel işlevleri yerine getirmek için enerjiye ihtiyaçları vardır (örneğin, düzeltme ve sentez). Bununla birlikte, ihtiyaç duyulan enerjinin laboratuvar tahminleri, yeraltındaki yaşamı sürdürdüğü görülen enerji arzından birkaç kat daha fazladır.

İlk başta, yeraltı hücrelerinin çoğunun uykuda olduğu düşünülüyordu . Ancak dormansiden çıkmak için bir miktar ekstra enerjiye ihtiyaç vardır. Bu, enerji kaynaklarının milyonlarca yıl boyunca sabit kaldığı ancak yavaş yavaş azaldığı bir ortamda iyi bir strateji değildir. Mevcut kanıtlar, yeraltındaki çoğu hücrenin aktif ve yaşayabilir olduğunu göstermektedir.

Düşük enerjili bir ortam, minimum öz düzenlemeye sahip hücreleri tercih eder, çünkü çevrede yanıt vermeleri gereken hiçbir değişiklik yoktur. Düşük enerjili uzmanlar olabilir. Bununla birlikte, düşük devir hızı ve çevrenin bir çıkmaz sokak olması nedeniyle, bu tür organizmaların evrimleşmesi için güçlü bir evrimsel baskı olması pek olası değildir .

Çeşitlilik

Biyokütle derin yeraltında biyosfere toplamının yaklaşık% 15 olduğu. Her üç ila Yaşam alanlarının ( Arke , bakteriler ve ökaryotlarının ) derin yeraltı bulunmuştur; gerçekten de derin yeraltı, Archaea ve Bakterilerdeki tüm biyokütlenin yaklaşık %90'ını oluşturur. Genetik çeşitlilik en az yüzeydeki kadar büyüktür.

Okyanusta, plankton türleri küresel olarak dağılmıştır ve neredeyse her yerde sürekli olarak biriktirilmektedir. Okyanus tabanının tepesinde bile oldukça farklı topluluklar bulunur ve tür çeşitliliği derinlikle azalır. Bununla birlikte, hala yeraltında yaygın olan bazı taksonlar vardır. Olarak deniz tortuların , ana bakteri filum "olan Candidatus Atribacteria" (eski PÇ9 ve JS1), Proteobakteriler , Klorofleksi ve Planctomycetes . Archaea üyeleri ilk olarak metagenomik analiz kullanılarak tanımlandı ; bazıları o zamandan beri kültürlendi ve yeni isimler aldı. Deep Sea Archaeal Group (DSAG), Marine Benthic Group B (MBG-B) oldu ve şimdi önerilen bir filum " Lokiarchaeota ". Eski Antik Arkeal Grubu (AAG) ve Deniz Hidrotermal Havalandırma Grubu (MHVG) ile birlikte, "Lokiarchaeota", Asgard aday süper filumunun bir parçasıdır . Diğer filumları "dir Bathyarchaeota " (eski Çeşitli Chrenarchaeotal Grubu), Thaumarchaeota (eski Deniz Grup I) ve Euryarchaeota ( "dahil Hadesarchaea ", Archaeoglobales ve Thermococcales ). İlgili bir dal, anaerobik metanotrofik arke (ANME) de temsil edilir. Diğer bakteri filumları arasında Thermotogae bulunur .

Kıta yeraltında, ana bakteri grupları Proteobacteria ve Firmicutes iken, Archaea esas olarak Methanomicrobia ve Thaumarchaeota'dır. Diğer filumları "Bathyarchaeota" ve "include Aigarchaeota bakteriyel filumları yer alırken," Aquificae ve Nitrospirae .

Derin biyosferdeki ökarya, bazı çok hücreli yaşamı içerir. 2009 yılında , Güney Afrika'daki bir altın madeninin bir kilometre aşağısındaki kaya yarıklarında Halicephalobus mephisto adlı bir nematod türü keşfedildi. "Şeytan solucanı" lakaplı, depremler tarafından gözenek suyuyla birlikte aşağı doğru zorlanmış olabilir. O zamandan beri mantarlar , Platyhelminthes (yassı solucanlar), Rotifera , Annelida (halkalı solucanlar) ve Arthropoda dahil olmak üzere diğer çok hücreli organizmalar bulunmuştur . Ancak ökaryada zar oluşturmak için gerekli olan steroller anaerobik koşullarda kolayca üretilemediği için bunların menzili sınırlı olabilir .

Virüsler ayrıca çok sayıda bulunur ve derin biyosferde çok çeşitli mikropları enfekte eder. Hücre döngüsüne ve hücreler arasında genetik bilgi transferine önemli ölçüde katkıda bulunabilirler.

habitatlar

Kıtalarda 5 km derinlikte ve okyanus yüzeyinin 10,5 km altında yaşam bulunmuştur. 1992'de Thomas Gold , 5 km derinliğe kadar olan karasal kara kütlesinin tahmini gözenek boşluğu suyla doldurulsaydı ve bu hacmin %1'i mikrobiyal biyokütle olsaydı, Dünya'nın kara yüzeyini su ile kaplayacak kadar canlı madde olacağını hesapladı. 1.5 m kalınlığında bir tabaka. Derin biyosferin tahmini hacmi, okyanusların hacminin yaklaşık iki katı olan 2-2.3 milyar kilometre küptür.

okyanus tabanı

Deniz tabanının altındaki ana habitat türleri tortullar ve magmatik kayalardır . İkincisi kısmen değişmiş olabilir ve sülfürler ve karbonatlar gibi değişim ürünleriyle birlikte bulunabilir. Kayada, kimyasallar esas olarak her 200.000 yılda bir okyanusun tüm suyunu deviren bir akifer sistemi aracılığıyla taşınır . Üst birkaç santimetrenin altındaki tortularda, kimyasallar esas olarak çok daha yavaş difüzyon süreciyle yayılır .

Sedimentler

Deniz tabanının neredeyse tamamı deniz tortulları ile kaplıdır. Kalınlıkları okyanus sırtlarının yakınında santimetreden derin hendeklerde 10 kilometrenin üzerine kadar değişebilir . Okyanusun ortasında , yüzeyden çöken kokolitler ve kabuklar sızar , kıyıya yakın tortular ise kıtalardan nehirler tarafından taşınır. Hidrotermal menfezlerden gelen mineraller ve rüzgarla savrulan parçacıklar da katkıda bulunur. Organik madde birikip gömüldükçe, daha kolay kullanılan bileşikler, mikrobiyal oksidasyonla tükenir ve geriye daha inatçı bileşikler kalır. Böylece, yaşam için mevcut olan enerji azalır. İlk birkaç metrede, metabolik hızlar 2 ila 3 büyüklük sırası azalır ve tortu sütunu boyunca hücre sayıları derinlikle azalır.

Sedimanlar, yaşam için farklı koşullara sahip katmanlar oluşturur. En üst 5-10 santimetrede hayvanlar, tortuyu yeniden işleyerek ve tortu-su arayüzünü genişleterek yuva yaparlar. Su oksijen, taze organik madde ve çözünmüş metabolitleri taşır ve bu da bol miktarda besin içeren heterojen bir ortam sağlar. Oyuklanmış katmanın altında sülfat indirgemesinin hakim olduğu bir katman bulunur. Bunun altında, metanın anaerobik indirgenmesi, sülfat-metan geçiş bölgesindeki (SMTZ) sülfat tarafından kolaylaştırılır . Sülfatlar tükendiğinde metan oluşumu devreye girer. Kimyasal bölgelerin derinliği, organik maddenin birikme hızına bağlıdır. Hızlı olduğu yerde, organik madde tüketildikçe oksijen hızla alınır; yavaş olduğunda, oksijen, oksitlenecek besinlerin eksikliği nedeniyle çok daha derinde kalabilir.

Okyanus tortul habitatları, dalma bölgelerine, abisal ovalara ve pasif sınırlara bölünebilir . Bir plakanın diğerinin altına daldığı bir dalma bölgesinde, kalın bir tortu kaması oluşma eğilimindedir. İlk başta tortu yüzde 50 ila 60 gözenekliliğe sahiptir ; sıkıştırıldığında, sıvılar soğuk sızıntılar veya gaz hidratlar oluşturmak üzere dışarı atılır .

Abisal ovalar , genellikle 4 kilometrenin altındaki derinliklerde, kıta kenarları ve okyanus ortası sırtları arasındaki bölgedir . Okyanus yüzeyi nitrat, fosfat ve demir gibi besinler açısından çok fakirdir ve fitoplanktonların büyümesini sınırlar ; bu düşük sedimantasyon oranları ile sonuçlanır. Tortu besin açısından çok fakir olma eğilimindedir, bu nedenle tüm oksijen tüketilmez; oksijen alttaki kayaya kadar bulundu . Bu tür ortamlarda, hücreler çoğunlukla ya kesinlikle aerobik ya da fakültatif anaerobiktir (mevcut olduğunda oksijen kullanır, ancak yokluğunda diğer elektron alıcılarına geçebilir) ve heterotrofiktirler (birincil üreticiler değil). Thaumarchaeota filumunda Proteobacteria, Chloroflexi, Marine Group II arkea ve litoototrofları içerir . Mantarlar, Ascomycota ve Basidiomycota filumlarının yanı sıra mayalar da dahil olmak üzere çeşitlidir.

Pasif marjlar (kıta sahanlıkları ve yamaçlar) nispeten sığ suların altındadır. Yukarı doğru çıkma, yüzeye besin açısından zengin su getirir, fitoplanktonun bol büyümesini uyarır, bu da daha sonra dibe yerleşir ( biyolojik pompa olarak bilinen bir fenomen ). Böylece tortularda çok fazla organik madde bulunur ve tüketimi sırasında tüm oksijen tüketilir. Çok kararlı sıcaklık ve basınç profillerine sahiptirler. Mikrop popülasyonu, dipsiz düzlüklerdekinden çok daha fazladır. Archaea'daki Chloroflexi filumunun üyeleri, " Ca. Atribacteria", sülfat indirgeyen bakteriler ve fermenterler, metanojenler ve metanotroflar dahil olmak üzere katı anaerobları içerir . Mantarlar, esas olarak Ascomycota ve mayalar dahil olmak üzere, abisal ovalardan daha az çeşitlidir. İçinde Virüsler Inoviridea , Sıphovındae ve Lıpothrıxvırıdae aileleri tespit edilmiştir.

kayalar

Okyanus kabuğu, okyanus ortası sırtlarında oluşur ve yitim yoluyla çıkarılır. En üstteki yarım kilometre, bir dizi bazaltik akıştır ve yalnızca bu katman, sıvı akışına izin vermek için yeterli gözenekliliğe ve geçirgenliğe sahiptir. Yaşam için daha az uygun olan, altındaki örtülü dayklar ve gabro katmanlarıdır .

Okyanus ortası sırtlar, dik bir dikey sıcaklık gradyanına sahip, sıcak, hızla değişen bir ortamdır, bu nedenle yaşam yalnızca ilk birkaç metrede var olabilir. Su ve kaya arasındaki yüksek sıcaklık etkileşimleri, sülfatları azaltarak, enerji kaynağı olarak işlev gören bol miktarda sülfür üretir; ayrıca, enerji kaynağı veya toksik olabilecek metallerin kayasını da soyarlar. Magmadan gaz gidermenin yanı sıra, su etkileşimleri de çok fazla metan ve hidrojen üretir. Henüz bir sondaj yapılmadı, bu nedenle mikroplar hakkında bilgi, havalandırma deliklerinden çıkan hidrotermal sıvı örneklerinden geliyor.

Sırt ekseninden yaklaşık 5 kilometre uzakta, kabuk yaklaşık 1 milyon yaşındayken sırt yanları başlar. Hidrotermal sirkülasyon ile karakterize edilirler , yaşları yaklaşık 80 milyon yıl kadardır. Bu sirkülasyon, deniz suyunu ısıtan ve onu daha geçirgen kayalardan yukarıya iten, kabuğun soğumasından kaynaklanan gizli ısı tarafından yönlendirilir. Enerji kaynakları, bir kısmı canlı organizmaların aracılık ettiği kayanın değiştirilmesinden gelir. Genç kabukta çok fazla demir ve kükürt döngüsü vardır. Tortu örtüsü soğutmayı yavaşlatır ve su akışını azaltır. Daha eski (10 milyon yıldan eski) kabukta mikrop aktivitesine dair çok az kanıt vardır.

Dalma bölgelerinin yakınında, ada yaylarında ve yay arkası bölgelerde volkanlar oluşabilir . Dalma levhası, bu volkanlara uçucu maddeleri ve çözünenleri serbest bırakır, bu da okyanus ortası sırtından daha yüksek konsantrasyonlarda gaz ve metal içeren asidik sıvılarla sonuçlanır. Ayrıca, serpantinit oluşturmak için manto malzemesi ile karışabilen suyu serbest bırakır. Ne zaman hotspot volkanlar okyanus plakaların ortasında meydana bunlar okyanus ortası sırtlarda daha gazın yüksek konsantrasyonlarda ile geçirgen ve gözenekli bazalt oluşturun. Hidrotermal akışkanlar daha soğuktur ve daha düşük sülfür içeriğine sahiptir. Demir oksitleyici bakteriler, yoğun demir oksit birikintileri oluşturur.

boşluk suyu

Mikroorganizmalar, çökelti ve kayaların içindeki çatlaklarda, deliklerde ve boş alanlarda yaşar. Bu tür boş alan, mikroorganizmalara su ve çözünmüş besinler sağlar. Derinlik arttıkça, besinler sürekli olarak mikroorganizmalar tarafından tüketildiğinden , gözenek suyunda daha az besin maddesi olduğuna dikkat edin. Derinlik arttıkça tortu daha kompakt hale gelir ve mineral taneleri arasında daha az boşluk olur . Sonuç olarak, hacim başına daha az gözenek suyu vardır. Sedimentler kayalara dönüştüğünde çevre daha da kurur. Bu aşamada su, derin biyosfer için de sınırlayıcı bir faktör olabilir.

Kıtalar

Kıtaların karmaşık bir tarihi ve çok çeşitli kaya, tortu ve toprakları vardır; yüzeydeki iklim, sıcaklık profilleri ve hidroloji de değişir. Yeraltı yaşamına ilişkin bilgilerin çoğu, çoğunlukla Kuzey Amerika'da bulunan az sayıda örnekleme alanından gelmektedir. Buz çekirdekleri dışında, hücrelerin yoğunlukları derinlikle birlikte dik bir şekilde azalır ve birkaç büyüklük derecesinde azalır. Toprağın bir veya iki metre üst kısmında, organizmalar oksijene bağımlıdır ve beslenmeleri için organik karbonun parçalanmasına bağlı olarak heterotrofturlar ve yoğunluklarındaki düşüş organik maddeninkine paraleldir. Bunun altında, hem hücre yoğunluğu hem de organik içerik yaklaşık beş büyüklük sırası kadar azalmasına rağmen (aksine okyanus çökellerinde bir korelasyon vardır) hiçbir korelasyon yoktur . Artan derinlik, sıcaklık ve tuzluluk, azalan hücre sayılarıyla ilişkilidir, ancak oranlar büyük ölçüde kabuk tipine ve yeraltı suyunun beslenme hızına bağlıdır .

Mikroplar, en derin örneklenen yaklaşık 3 kilometreye kadar olan tortul kayalarda bulundu. Çok fazla çeşitlilik vardır, ancak en derinleri fermentasyon kullanan ve yüksek sıcaklık ve tuzlulukta gelişebilen demir(III) veya sülfat indirgeyen bakteriler olma eğiliminde olsa da . Derin tuz birikintilerinde daha da fazla tuza dayanıklı halofiller bulunmuştur ve bu tür birikintiler dünyanın her yerinde bulunur. 2019'da yüzeyin 2400 metre altında yaşayan, kükürt soluyan ve normal besin kaynağı olarak pirit gibi kayaları yiyen mikrobiyal organizmalar keşfedildi. Keşif, dünyadaki bilinen en eski suda gerçekleşti. Fennoscandian Shield'deki 30'dan fazla derin madenden alınan damar mineral örneklerindeki biyo-imzaların incelenmesi, antik yaşamın imzalarının kalkanın her yerinde bulunduğunu kanıtlıyor.

İnsanlar, yeraltı suyu çıkarma, madencilik ve tehlikeli atıkların depolanması dahil olmak üzere çeşitli amaçlar için magmatik kayalardaki derin akiferlere erişmiştir. Bu akiferlerin çoğu veya tamamı mikropları barındırır. Test edilen tüm alanlarda hidrojen, metan ve karbondioksit bulundu. Hidrojen bazlı prokaryot toplulukları da kaplıcalarda ve hidrotermal sistemlerde bulunmuştur. Hidrojen üretimi için bazıları fotosentezden bağımsız olacak çeşitli mekanizmalar önerilmiştir.

Ekoloji

Bakterilerin bir türü olan " Candidatus Desulforudis audaxviator ", kendi başına tam bir ekosistem oluşturduğu bilinen ilk türdür. Güney Afrika'nın Johannesburg kenti yakınlarındaki bir altın madeninde yüzeyin 2,8 kilometre altında bulundu . Olarak alkali oksijen erişimi olmayan, yaklaşık 60 ° C'lik bir sıcaklıkta, su, bu sülfat, amonyak molekülleri ve amonyum iyonlarından, azot ve karbon dioksit ya da format onun karbon azaltarak enerji alır. Kıtasal magmatik kayaların barındırdığı derin biyosferin (ikincil) kırık astar minerallerinin kararlı izotop kayıtları, uzun vadeli metanojenez, metanotrofi ve sülfat indirgemesi oluşumuna işaret eder. Morfolojik ve uzay-zamansal ilişkiler, bu prokaryotik metabolizmaların mantarlarla potansiyel sentrofik ilişkisine işaret etmektedir.

Diğer ekosistemlerin birbirine bağlı birden fazla türü vardır. Onlar ayrılabilir ototroflardan cansız kaynaklardan enerji elde, ve heterotrofların ototroflardan veya bunların kalıntısı üzerine yem. Bazı organizmalar , bir organizmanın diğerinin metabolik aktivitesinin yan ürünleriyle yaşadığı sintrofiye girer . Yüzeyde, çoğu ototrof fotosentez kullanır, ancak ışığın olmadığı yerlerde kemoototroflar kimyasal enerjiyi kullanır.

Olarak deniz sediment oksijen mevcuttur, chemoautotrophs önemli bir grubu, amonyum oksitleyici Thaumarchaeota olup. Heterotrofik üretimin %19'unu destekler. Abisal Pasifik Okyanusu çökelleri gibi bazı ortamlarda, amonyak arzı derinlikle azalır; ancak diğer ortamlarda amonyak aslında artar çünkü organik madde üzerinde yaşayan heterotrofik bakteriler amonyağı yeniden mineralize eder. Heterotrofik bakterilerin ve Thaumarchaeota'nın bu karşılıklı bağımlılığı, bir sentez örneğidir. Bununla birlikte, bazı Thaumarchaeota, karbon için hem organik maddeyi hem de karbondioksiti kullanabilen miksotrofiktir .

Anoksik tortularda, hidrojen önemli bir "yenilebilir" dir. Chloroflexi'nin üyeleri, karbon dioksit veya organik maddeyi ( asetojenez olarak bilinen bir süreç ) azaltarak asetat üretmek için ondan enerji çeker . Metal indirgeyici ve şekeri fermente eden Bacteroidetes , diğer bileşiklerin yanı sıra propiyonat üretir ve bu, hidrojen üretmek için " Ca. Atribacteria" tarafından fermente edilir . Üst tortularda, hidrojenin çoğunu sülfat indirgeyen bakteriler alırken, alt tortularda sülfat tükenir ve metanojenler baskındır. Sülfat-metan geçiş bölgesinde (SMTZ), anaerobik metanotrofik (ANME) arke, sülfat indirgeyen bakterilerle konsorsiyum oluşturur.

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar

• Derin Yaşam Sayımı
• Karanlık Enerji Biyosfer Araştırmaları Merkezi
• 3D dünya üzerinde Derin Biyosfer haritası (GPlates Portalı)