Höhlen offenbaren Evolution von alten Mikroben

Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Vor kurzem, Höhlenforschung Experten Simone Cerioni geführte Jenn Macalady der Pennsylvania State University und ihr Team von Wissenschaftlern einen dunklen, steilen Hang hinauf in die Frasassi Höhlensystem in Mittelitalien.

Beim Klettern einen besonders schwierigen Abschnitt, Cerioni drehte sich um, um auf die Wissenschaftler kriechen unter ihm, und bemerkte, dass ihre Mimik zu überprüfen – durch die enge Lichtkegel ihrer Scheinwerfer angestrahlt – schien ihn fragen, "Wie bekommen wir dieses Teil?" Cerioni reagiert in seiner besten Jedi-Englisch "verwenden die Kraft..."

Unter Simones Beratung, die Wissenschaftler ihren Halt gefunden und stieg. Jedoch in anderen, knorriger Abschnitten der Höhle, Simones Ermutigung von "the Force" reichte nicht aus, und die Expedition erweiterte nur mit Hilfe von Hardware, wie Seile, Gurte und aufsteigenden Gang.

Warum wurden Macalady und die anderen Mitglieder der ihr Forschungsteam solch tückisch unterirdischen Terrain zu verhandeln? Denn wie viele Wissenschaftler, die Geschichte der Erde zu studieren, sie träumen von Reisen in die Vergangenheit. Aber anstatt zurück zu den beliebten Zeitalter der Dinosaurier reisen wollen, wollen sie zurück in den präkambrischen Reisen – eine entscheidende Epoche, die von etwa 4,5 bis 0,54 Milliarden Jahren erstreckte.

Das Präkambrium fasziniert Macalady. "Der evolutionären Erfolg des einzelnen-celled Mikroben im Präkambrium die Erde zum Leben erweckt und die Weichen für die Entwicklung von mehrzelligen Organismen, die heute gedeihen," sagt sie, fügte hinzu, dass während der präkambrischen Mikroorganismen entwickelt die Fähigkeit, Sauerstoff aus dem Wasser durch die Photosynthese, eine Entwicklung, die schließlich zu die irreversible Sauerstoffversorgung der Erdoberfläche geführt zu produzieren.

Aber weil Mikroorganismen Fossil eine dürftige verlassen, Macalady nicht die versteinerte Aufzeichnung der Erde Sauerstoff Revolution und die Evolution der Mikroben zu studieren. Stattdessen beschäftigt sie sich mit diesen Erscheinungen durch die Analyse moderner mikrobielle Beispiele aus der Erde anoxischen (sauerstofffreien), dunkle Regionen. Diese Organismen sind jedoch selten und schwer zu erreichen, fanden nur unter Wasser oder in tiefen, dunklen unterirdischen Umgebungen (oder Kombinationen aus beidem) wo Staunässe oder ungewöhnlichen chemischen Bedingungen verhindern, dass Sauerstoff eindringen.

Höhlenforschung weltweit

Also wie schafft Macalady, solche abgelegenen gefährlicheren Umgebungen zugreifen? Durch die Zusammenarbeit mit erfahrenen Höhlenforschern und Höhle-Taucher, die sie und ihre Kollegen zu Orten führen, die sonst außerhalb ihrer Reichweite und manchmal sammeln Sie Proben mikrobieller Gemeinschaften in ihrem Namen.

Bisher konnte Macalady mit finanzieller Unterstützung der National Science Foundation und der NASA, Forschungskooperationen zwischen Wissenschaftlern und Höhlenforschung Experten in dunklen, anoxischen Umgebungen in Italien, Mexiko, Florida und den Bahamas.

Um die Produktivität von solchen Kooperationen zu maximieren, verbessere Macalady und ihre Forscherkollegen kontinuierlich eigene Höhlenforschung Fähigkeiten. Sie trainieren auch ihre Höhlenforschung Guides zu finden und probieren Sie die Arten von Umgebungen, in denen die meisten Forschungspotenzial bieten und wie kritisch wichtige Beobachtungen machen.

Geheimnisvolle Höhle Mikroben

Warum ist Macalady so tief, dunkele, gefährliche Höhlen erkunden gewidmet? Weil so wenig über die Mikroben bekannt ist, die in dunklen, anoxischen Umgebungen leben. "Jede Expedition bietet die Möglichkeit zu entdecken, unbekannte Lebensformen und wichtige Hinweise auf die Geschichte des Lebens", sagt sie.

An diesem Tag in die Grotten von Frasassi, profilierte Macalady und ihr Forschungsteam der Geochemie eines abgelegenen, anoxischen Sees, die erst nach vier Stunden Fahrt innerhalb des Höhlensystems erreicht wurde. Sobald es, Ph.d. Student Dan Jones und italienischer Höhlenforscher Sandro Mariani Trockenanzüge angezogen, trat die 55 Grad Fahrenheit Seewasser, und eine geochemische Sonde in den See tief anoxische Schicht, die etwa acht Meter unter der Wasseroberfläche befindet. Das Standardverfahren ist: manchmal, Macalady Research-Team sammelt auch Mikrobe Proben in anderen mikrobiellen Umgebungen aus Tiefen der Dutzende von Metern.

Nachdem Macalady Research-Team wieder im Labor, Laboranalysen von Gensequenzen enthalten in ihrer Mikrobe Proben durchgeführt. Diese Analysen wurden entwickelt, um wichtige Informationen über die evolutionären Beziehungen zwischen Stichprobe Mikroben und anderen bekannten Mikrobe Arten und Informationen über mikrobielle Aktivitäten zeigen.

Langsam wachsende Schleim

Durch diese Analysen identifiziert Macaladys Post-Doc, Sharmishtha Dattagupta, z. B. eine neue Tier-Mikrobe Beziehung (oder Symbiose) in das Höhlensystem von Frasassi, das auf chemische Energie basiert. Diese Symbiose, die häufig um hydrothermalen Quellen am Meeresboden, die heißes Wasser speien, hatte bisher nicht bekannt wurden, außerhalb der Ozeane.

Darüber hinaus entdeckte italienischen Höhle Taucher einen langsam wachsende, anaerobe Schleim in den Frasassi Höhle Gewässern; dieser Schleim enthält große Populationen von Zellen, die Energiegewinnung durch neuartige Methoden, die Macalady Research-Team derzeit zu kämpfen hat, zu verstehen.

Macalady Team, dem Doktoranden Jones, Kat Dawson, Heidi Albrecht und Rebecca McCauley, baut derzeit forschen in den Frasassi Höhlen ebenso wie in anderen italienischen Höhlen. Diese Arbeit umfasst die Zusammenarbeit mit einem Team des italienischen Kolleginnen und Kollegen, die Geologen Alessandro Montanari, Sandro Galdenzi und Maurizio Mainiero, enthält und Höhlenforscher Mariani, Cerioni und andere.

In ihrem neuesten bemühen forscht sie zusammengebrochene, überflutete Höhlen auf den Bahamas, eine Zusammenarbeit mit erfahrenen Höhlentaucher Kenneth Broad von der University of Miami, finanziert von National Geographic. Obwohl die Dolinen frisch halten, werden sauerstoffreiches Wasser nahe der Oberfläche, sie schnell zu salzig und anoxischen mit Tiefe. Daher Macalady vermutet, dass diese Dolinen, zusammen mit ähnlichen in Florida, zusätzliche Hinweise auf die Erde frühesten Umgebungen bieten können. Und das ist genau die Art von Zeitreisen, die hält ihre Erforschung der Erde tiefen.

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Anmerkung der Redaktion: Dieser Forschung wurde unterstützt durch die National Science Foundation (NSF), der Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik. Sehen, die hinter den Kulissen Archiv.