Kolväten spelar nyckelroller inom atmosfär och biogeokemi, energiekonomin, och klimatförändringar. De flesta kolväten bildas i anaeroba miljöer genom hög temperatur eller mikrobiell nedbrytning av organiskt material. Mikroorganismer kan också "äta" kolväten under jorden, hindrar dem från att nå atmosfären. Med hjälp av en ny teknik utvecklad vid Earth-Life Science Institute (ELSI), ett internationellt team som leds av professorerna Alexis Gilbert i Tokyo Institute of Technology, Naohiro Yoshida och Yuichiro Ueno visar att biologisk nedbrytning av kolväten ger en unik biologisk signatur. Dessa fynd kan hjälpa till att upptäcka biologi under ytan och förstå kolcykeln och dess påverkan på klimatet.

Mänskligheten utnyttjar jordens stora reservoarer av kolväten som en av dess huvudsakliga energikällor. De sätt på vilka kol fixeras och bearbetas under bildandet av dessa reservoarer har viktiga konsekvenser för resursutforskning. Dessutom, utsläpp av kolväten från jordens underjordiska reservoarer kan ha viktiga konsekvenser för jordens klimat, eftersom lätta kolväten som metan är kraftfulla växthusgaser. Forskare skulle vilja förstå den potentiellt viktiga roll Jordens enorma underjordiska biosfär kan spela för djupa kolvätereservoarer. Hittills, det har varit svårt att uppskatta hur mycket kolväten som påverkats av mikroorganismer under ytan.

Gilbert och medarbetare övervann denna svårighet genom att använda en ny metod utvecklad vid ELSI som möjliggör mätning av positionsspecifika stabila kolisotopförhållanden. Kolväten är mestadels långa kedjor av kolatomer fästa vid väteatomer, men kol har två naturligt förekommande isotoper (typer av kolatomer med olika antal neutroner, och därmed olika massor, som kan mätas), kol-12 ( ¹² C) och kol-13 ( ¹³ C). På grund av hur organismer bildar de molekyler som i slutändan blir miljökolväten, förhållandet mellan ¹² C/ ¹³ C för varje specifik kolatomposition i ett kolväte kan vara unikt. Forskningen här fokuserade på propan, en kolvätemolekyl med naturgas som innehåller tre kolatomer.

Forskarna matade propan till mikroorganismer i labbet för att mäta det specifika ¹² C/ ¹³ C -signatur producerade dessa organismer, och mätte de icke-biologiska förändringar som inträffade när propan bryts ner vid höga temperaturer, en process som kallas "sprickbildning". De använde sedan dessa grundmätningar för att tolka naturgasprover från USA, Kanada och Australien, låta dem upptäcka närvaron av mikroorganismer som använder propan som "mat" i naturgasreservoarer, och att kvantifiera mängden kolväten som äts av mikroorganismer. "När jag började analysera prover från bakteriesimuleringsförsöken, de matchade perfekt det vi observerade på fältet, tyder på närvaron av propannedbrytande bakterier i naturgasreservoarerna, "Noterade Gilbert. Således denna studie avslöjade närvaron av mikroorganismer som skulle ha varit svåra att upptäcka med konventionella metoder, och öppnar ett nytt fönster för att förstå den globala kolvätecyklingen.

"Jag var särskilt intresserad av att dechiffrera biologiskt från icke-biologiska processer relaterade till organiska molekyler. Denna fråga har betydelse för livets ursprung, för att upptäcka liv i universum, men också för vår förståelse av biosfären och dess utveckling på jorden, "säger Gilbert. Denna studie har också viktiga konsekvenser för de globala klimatförändringarna, eftersom propan och andra kolväten är växthusgaser och föroreningar. Även om laget inte försökte kvantifiera hur mycket kolväten som "äts" av mikroorganismer i global skala, de tror att deras tillvägagångssätt kommer att tillåta sådan kvantifiering inom en snar framtid, och föreslå att detta kommer att gynna modeller som syftar till att kvantifiera den globala kolvätecyklingen.

Till sist, Gilbert tillägger, i framtiden kan denna typ av tillvägagångssätt vara användbar för upptäckt av liv på utomjordiska kroppar som andra planeter eller månar i vårt solsystem. Även om deras nuvarande maskin är för stor för att skickas till rymden, deras tekniker kan tillämpas på prover som förs tillbaka till jorden, eller deras instrument kan miniatyriseras.