Nevjerovatno otkriće: Pećina u Novom Meksiku mijenja potragu za vanzemaljskim životom

Život u tami

Kada se speleobiologinja Heather Barton upustila u mračnu pećinu, najmanje što je očekivala bilo je pronaći organizme koji crpe energiju iz svjetlosti. Ovo novo razumijevanje fotosinteze u tami, kako je shvatila, znači da život drugdje u svemiru može postojati na mjestima koja nikada nismo smatrali mogućima.

“Zid je bio jarkozelen. Bio je to najiridescentniji zeleni koji ste ikada vidjeli, a opet su mikrobi živjeli u potpunom mraku”, kaže Barton, profesorica geoloških nauka na Univerzitetu Alabama.

Ispod dubokih stjenovitih kanjona pustinje Chihuahuan u južnom Novom Meksiku, nalazi se mreža od 119 pećina. Pećine, dio Nacionalnog parka Carlsbad Caverns, nastale su prije četiri do 11 miliona godina uslijed rastvaranja vapnenačkih stijena sumpornom kiselinom.

Glavna atrakcija parka je izložbena pećina, Carlsbad Cavern. Ovdje se svjetlucavi stalaktiti pripijaju uz strop Big Rooma, ogromne podzemne komore duge gotovo 1.220 metara i široke 191 metar.

“Carlsbad pećina je vrlo lako dostupna. To je vrlo velika vapnenačka pećina koju turisti mogu posjetiti i koja ima stepenice i ljestve i svi mogu sići dolje”, kaže Lars Behrendt, mikrobiolog s Univerziteta Uppsala. Dijelovi pećinskog sistema, dodaje, su čak i pristupačni osobama u invalidskim kolicima.

Istraživanje mikroskopskog života

Gotovo 350.000 ljudi posjeti Carlsbad pećinu svake godine, no većina ne bi bila svjesna da je pećina poprište jednog od najzagonetnijih znanstvenih otkrića proteklog desetljeća.

Behrendt je 2018. godine upravo završio doktorat. Osvojio je i akademsku nagradu, koja mu je donijela nešto novca. Kontaktirao je Barton i pitao je bi li mu se pridružila na ekspediciji. Srećom, pristala je.

“Prva stvar koju učinite u pećini Carlsbad je da se spustite turističkom stazom, a zatim skrenete iza ugla”, kaže Barton. “Ne znam koliko sam puta prošla tu stazu, vjerojatno 40 puta. U tom trenutku skrenete iza ugla, a zatim iza vas je niša i potpuno je crna.”

Barton već više od 20 godina proučava mikroskopski život pronađen duboko pod zemljom. Ipak, ono što se sljedeće dogodilo bilo je iznenađenje, čak i za nju.

Behrendt je uperio svjetiljku u zid. Iako je niša bila potpuno crna, svjetlo je otkrilo pokrivač zelenih mikroba koji se pripijaju uz zid. Kasniji testovi otkrili su da se radi o cijanobakterijama; jednoćelijskim organizmima povezanim s bakterijama. Međutim, za razliku od većine bakterija, cijanobakterije (također poznate kao plavo-zelene alge) koriste svjetlost sa Sunca za proizvodnju hrane.

Fotosinteza u tami

“Počeli smo ići sve dublje i dublje u pećinu”, kaže Barton. “Na kraju smo bili na mjestu gdje nismo mogli vidjeti bez upotrebe svjetiljki. Morali smo koristiti prednje svjetlo da bismo mogli vidjeti svoju ruku ispred lica, a ipak ste još uvijek mogli vidjeti zeleni pigment na zidu.”

Biljke su zelene zbog kemikalije zvane klorofil, koja apsorbira svjetlosnu energiju. U fotosintezi se ta energija koristi za pretvaranje ugljičnog dioksida i vode u glukozu i kisik. Proces je vrlo sličan u cijanobakterijama. No ovdje, u pećini, nije bilo sunčeve svjetlosti.

Pa što se događalo?

Ispostavilo se da cijanobakterije u pećini imaju posebnu verziju klorofila koja može zarobiti blisko-infracrveno svjetlo. Ova svjetlost ima veću valnu duljinu od vidljive svjetlosti i pojavljuje se neposredno prije infracrvene na elektromagnetskom spektru. Ljudskom oku je nevidljiva.

Dok biljke i cijanobakterije koriste klorofil a za fotosintezu, cijanobakterije u pećinama Carlsbad koriste klorofil d i f, koji mogu generirati energiju iz blisko-infracrvenog svjetla.

Iako vidljiva svjetlost može putovati samo nekoliko stotina stopa u pećine, blisko-infracrvena može putovati mnogo dalje zbog reflektirajuće prirode vapnenačkih stijena. “Vapnenačka stijena od koje je pećina napravljena apsorbirat će gotovo svu vidljivu svjetlost, ali za blisko-infracrveno svjetlo, pećine su gotovo dvorana ogledala”, kaže Barton.

Zapravo, kada su istraživači izmjerili svjetlost u stražnjem dijelu pećine gdje je bilo najtamnije, otkrili su da su razine blisko-infracrvene svjetlosti bile 695 puta koncentriranije nego na ulazu. Istodobno, dok su cijanobakterije koje sadrže klorofil d i f bile prisutne u svim dijelovima pećine, bile su posebno koncentrirane na najtamnijim i najdubljim mjestima.

Istraživači su također otišli u druge pećine u Nacionalnom parku Carlsbad Caverns i testirali druge pećine i špilje izvan utabanih staza. U svakom slučaju pronašli su fotosintetske mikrobe duboko pod zemljom.

“Pokazali smo da ne samo da žive dolje, nego da fotosintetiziraju u potpuno zaštićenom okruženju gdje su vjerojatno netaknuti 49 milijuna godina”, kaže Behrendt.

Implikacije za život na drugim planetima

Barton i Behrendt nisu jedini znanstvenici koji su pronašli mikrobe sposobne živjeti u tami.

Godine 1890. pionirski ukrajinsko-ruski mikrobiolog Sergej Nikolajevič Vinogradski otkrio je da neki mikrobi mogu živjeti isključivo na anorganskoj tvari – koristeći proces koji se naziva hemosinteza. Ti mikrobi dobivaju energiju putem kemijskih reakcija, uzimajući kemikalije poput metana ili sumporovodika iz okolnih stijena i vode.

Godine 1996. Hideaki Miyashita, koji je u to vrijeme bio student na postdoktorskom programu NASA-e, otkrio je morsku cijanobakteriju nazvanu Acaryochloris marina koja može fotosintetizirati koristeći i vidljivu i blisko-infracrvenu svjetlost. Ovo otkriće pokrenulo je desetljeća istraživanja o valnim duljinama svjetlosti potrebnim za fotosintezu.

Zatim su 2018. znanstvenici na Imperial College Londonu pronašli fotosintetske cijanobakterije koje žive u sjenovitim uvjetima u bakterijskim prostirkama u Nacionalnom parku Yellowstone i unutar nekih stijena na plažama u Australiji. Čak su uspjeli uzgojiti fotosintetske mikrobe u mračnom ormaru opremljenom infracrvenim LED diodama. U svakom slučaju, cijanobakterije su koristile klorofil a za fotosintezu koristeći vidljivu svjetlost, ali su se zatim prebacile na korištenje klorofila f za fotosintezu koristeći blisko-infracrveno svjetlo – izvan dosega ljudskog vida.

Otkrića imaju reperkusije na to kako bi život na drugim planetima mogao izgledati. Kada tražite nastanjivu egzoplanetu – planetu koji kruži oko zvijezde u drugom solarnom sistemu – važno je uzeti u obzir vrstu zvijezde oko koje kruži. U svemiru postoji sedam klasa zvijezda (O, B, A, F, G, K i M), koje su poredane po opadajućoj temperaturi, od najtoplijih do najhladnijih. Zvijezde tipa O i B su najtoplije, najmasivnije i najsvjetlije zvijezde u svemiru. Karakterizira ih plavo-bijela boja.

“To su potpuno nove zvijezde koje su se upravo spojile i rođene”, kaže Barton. “Proizvode puno UV zračenja, pa su otrovne za život.”

Kako ove zvijezde stare, hlade se, pretvarajući se u zvijezde tipa A, F, a zatim i u zvijezde tipa G. Zvijezde tipa G, koje uključuju naše Sunce, žute su boje. Predstavljaju “tinejdžersku” fazu života zvijezde i emitiraju svjetlost u vidljivom spektru. Te bi zvijezde teoretski bile dobra mjesta za traženje nastanjivih svjetova, ali zvijezde tipa G čine samo 8% od procijenjenih jedan bilijun trilijuna zvijezda u svemiru. Također brzo sagorijevaju gorivo, što znači da život može postojati samo kratko vrijeme.

Nakon što im gorivo bude potrošeno, a zvijezde tipa G se ohlade, gube puno svoje mase i postaju zvijezde srednje dobi. Ove zvijezde tipa K i M poznate su kao crveni patuljci zbog svoje duboke crvene boje. Do sada su sve od 5.000 egzoplaneta koje su otkrivene kružile oko zvijezda tipa M. To je uglavnom zbog metode koju astronomi koriste za uočavanje planeta. Dok planet prolazi ispred zvijezde, privremeno prigušuje svjetlinu te zvijezde. Znanstvenici mogu otkriti ovo privremeno zatamnjenje, ali samo ako je zvijezda u prvom redu relativno slaba.

“Ako to pokušate učiniti sa zvijezdom tipa G, bit će kao da gledate Sunce kroz dalekozor; nećete moći ništa vidjeti”, kaže Barton.