UNSW-forskare har funnit att deras tidigare upptäckt av bakterier som lever på luft i Antarktis sannolikt är en process som sker globalt, ytterligare stödja den potentiella existensen av mikrobiellt liv på främmande planeter.

I deras första uppföljning av en högprofilerad studie från 2017 som visade att mikrober i Antarktis har en unik förmåga att i huvudsak leva på luft, forskare från UNSW Sydney har nu upptäckt att denna process sker i jordar över världens tre poler.

Specifikt, forskare fann att målgenerna som är ansvariga för det atmosfäriska kemosyntesfenomenet som de upptäckte är rikliga och spridda i de polära jordarna i Antarktis, Arktisk och tibetansk platå i hinduiska Kush-Himalaya.

Den nya forskningen publicerades i tidskriften Frontiers denna månad och var ett samarbete mellan UNSW, Australian Antarctic Division och Kinas Institute of Tibetan Plateau Research.

Studiens seniorförfattare docent Belinda Ferrari, från UNSW Science, sa att leva på luft var ett så minimalistiskt sätt att överleva att deras fynd gav ytterligare potential för mikrobiellt liv att existera på andra planeter.

"Det här är vad NASA:s Mars 2020 Perseverance Rover siktar på att göra - att söka efter tecken på forntida mikrobiellt liv i kärnprover av Mars sten och jord, " sa prof Ferrari.

"Ett framtida uppdrag kommer att ta proverna tillbaka till jorden och NASA-forskare kommer att analysera jorden på ett liknande sätt som vi gör, för att försöka se om det finns några indikatorer på livet."

Prof Ferrari sa att forskarnas resultat innebar att mikrober som använder spårgaser som sin energi- och kolkälla för att växa - till skillnad från fotosyntes som använder ljus - inte var en process isolerad till Antarktis.

"Det finns hela ekosystem som förmodligen förlitar sig på denna nya mikrobiella kolfixeringsprocess där mikrober använder energin som erhålls från att andas in atmosfärisk vätgas för att omvandla koldioxid från atmosfären till kol - för att växa, " Hon sa.

"Vi tror att denna process sker samtidigt tillsammans med fotosyntes när förhållandena förändras, som under polarvintern när det inte finns något ljus, men vi strävar efter att bekräfta denna hypotes i nästa steg av vår forskning. Så, medan mer arbete krävs för att bekräfta att denna aktivitet sker globalt, det faktum att vi upptäckte målgenerna i jordarna på de tre polerna betyder att denna nya process sannolikt sker i kalla öknar runt om i världen, men har helt enkelt förbisetts fram till nu."

Antarktis, Artic och Tibetan Plateau jord analyseras

Forskare analyserade 122 jordprover från 14 markbundna kalla ökenplatser över Antarktis (Vindkvarnöarna och Vestfold Hills), den höga arktiska och tibetanska platån, som de samlade in mellan 2005 och 2019.

Studiens huvudförfattare, UNSW Ph.D. kandidat Angelique Ray, sa att en av de stora frågorna som teamet hade när de avslutade sin tidigare studie var om denna nya process av atmosfärisk kemosyntes – även känd som kolfixering eller kolsänka – förekom på liknande sätt på andra platser runt om i världen.

"Så, den här gången gjorde vi en global studie. Vi samlade det översta 10-centimeters jordlagret från olika platser vid de tre polerna, vilket är djupet där de flesta av organismerna vi studerar finns, " Hon sa.

"Marken på de platserna är helt frusen under större delen av året - och det finns inte mycket jord eftersom det mestadels är sten."

Forskarna extraherade DNA från jordproverna och sekvenserade sedan DNA:t för att upptäcka målgener som är ansvariga för processen för kolfixering.

Mrs Ray sa att forskarna också genomförde miljöanalyser av varje plats för att mäta förhållanden under vilka mikroberna levde.

"Genom att titta på miljöparametrarna i marken, det var så vi visste att det fanns låga koldioxidutsläpp, låg fuktighet och andra faktorer som spelar in, " Hon sa.

"Så, vi korrelerade målgenerna för kolfixeringsprocessen mot de olika platserna och fann att de platser som är torrare och lägre i näringsämnen - kol och kväve - hade en större potential att stödja denna process, vilket var vettigt."

Resultat för att förändra tänkandet om kolfixering

Prof Ferrari sa att forskarnas resultat skulle förändra hur forskare tänkte på de begränsningar som krävs för att liv ska existera, samt hur mikrobiologi lärdes ut.

"Genom att undersöka platser utanför Antarktis, vi kan avgöra hur betydande bidraget från denna nya form av kemotrofi är till den globala kolbudgeten, " Hon sa.

"Innan vi upptäckte den här nya kolsänkprocessen, de två huvudsakliga kända kemotrofa formerna var fotosyntes och geotermisk kemotrofi – det senare är där bakterier utnyttjar oorganiska föreningar som vätesulfid för att fixera kol. Men nu har vi funnit att generna som är involverade i denna process är rikliga i kalla öknar, även om vi ännu inte studerar varma öknar, vårt fynd tyder förmodligen på att atmosfärisk kemosyntes bidrar till den globala kolbudgeten."

Prof Ferrari sa att det var troligt att bakterierna som överlevde på inget annat än luft hade blivit nyckelspelare i de miljöer där de levde.

"Många av dessa ekosystem är ganska torra och näringsfattiga - så, dessa platser domineras mestadels av bakterier, " Hon sa.

"Särskilt på de ursprungliga platserna i östra Antarktis vi studerade, det finns inte mycket annat där förutom några mossor och lavar (svamp). Eftersom dessa bakterier har anpassat sig för att överleva och har förmågan att använda spårgaser för att leva, deras miljö har valt dem att bli betydande bidragsgivare till deras ekosystem."

Prof Ferrari sa att forskarna såg fram emot att göra nya upptäckter inom kolfixering.

"Som en del av nästa fas, vi strävar efter att isolera en av dessa nya bakterier i laboratoriet – för att få en ren kultur, " Hon sa.

"Det här är svårt eftersom bakterierna är vana vid att växa på väldigt lite och en agarplatta skiljer sig från deras naturliga miljö. Förhoppningsvis då, vi kan till fullo förstå de förutsättningar som dessa bakterier behöver för att utföra denna unika process att leva på luft."