Genom att använda år av data som samlats in från istäckta livsmiljöer över hela världen, ett team från Montana State University har upptäckt nya insikter i processerna som stödjer mikrobiellt liv under inlandsisar och glaciärer, och den roll dessa organismer spelar för att föreviga livet genom istider och, kanske, i till synes ogästvänliga miljöer på andra planeter.

Doktorand Eric Dunham från MSU:s institution för mikrobiologi och immunologi vid College of Agriculture, tillsammans med mentor Eric Boyd, publicerade sina resultat i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences Denna vecka. Arbetet undersöker hur vatten och mikrober interagerar med berggrunden under glaciärer, med hjälp av prover av sediment tagna från glaciala platser i Kanada och Island.

"Vi fortsatte att hitta organismer i dessa system som stöddes av vätgas, " sa Boyd om inspirationen för projektet. "Det var från början inte vettigt, eftersom vi inte kunde ta reda på var den vätgasen kom ifrån under dessa glaciärer."

Ett team av forskare, inklusive Boyd, upptäckte senare att genom en rad fysikaliska och kemiska processer, vätgas produceras när den kiselrika berggrunden under glaciärer mals till små mineralpartiklar av vikten av isen ovanpå den. När dessa mineralpartiklar kombineras med glaciärt smältvatten, de släpper ut väte.

Vad som blev ännu mer fascinerande för Boyd och Dunham var att mikrobiella samhällen under glaciärerna kunde kombinera den vätgasen med koldioxid för att generera mer organiskt material, kallas biomassa, genom en process som kallas kemosyntes. Kemosyntes liknar hur växter genererar biomassa från koldioxid genom fotosyntes, även om kemosyntes inte kräver solljus.

För att lära dig mer om vad dessa kemosyntetiska mikrober gjorde, Dunham använde prover av sediment från glaciärerna i Kanada och Island. Han odlade prover av de levande organismerna som hittats i sedimentet i ett laboratorium, tittar på dem under flera månader för att se om de skulle fortsätta växa i den simulerade miljön.

"De organismer vi var intresserade av förlitar sig på vätgas som mat för att växa, och de flesta är också anaeroba, vilket betyder att syre dödar dem, sa Dunham, som ursprungligen kommer från Billings och går in på sista terminen av sina doktorandstudier. "Ett av de mest kritiska stegen för att förbereda dessa experiment, och lätt det mest stressande elementet, fick de här proverna på flaskor och spolade ut allt syre så snabbt som möjligt, så jag dödade inte organismerna jag försökte studera."

Under månader av att förbereda och observera de mikrobiella kulturerna, Dunham fann att det inte bara var möjligt att spåra samhällenas tillväxt i labbmiljön utan också att den typ av berggrund som låg bakom en glaciär påverkade hur mycket vätgas som producerades, vilket i sin tur ledde till närvaron av mikrobiella samhällen som var bättre anpassade för att metabolisera väte. Prover tagna från Kötlujökullglaciären på Island, som ligger ovanpå basaltisk berggrund, producerade mycket mer vätgas än proverna från Robertson Glacier i Alberta, Kanada, som har karbonatberggrund under sig.

När de använder den vätgasen för att generera energi, sa Boyd, mikroberna drar också ut koldioxid ur luften för att skapa biomassa, replikera och växa. Den förmågan att "fixa" kol är en kritisk process för klimatreglering, en annan likhet med fotosyntes hos växter.

"Med tanke på att glaciärer och inlandsisar täcker cirka 10% av jordens landmassa idag, och en mycket större andel ibland i planetens förflutna, mikrobiella aktiviteter som de som Eric mätte har sannolikt haft en stor inverkan på jordens klimat, både idag och förr, ", sa Boyd. "Vi har vetat ett tag att mikroorganismer som lever under inlandsisar eller glaciärer kan fixa kol, men vi förstod aldrig riktigt hur. Vad Erics banbrytande arbete visar är att dessa organismer inte bara är helt självförsörjande i den meningen att de kan generera sitt eget fixerade kol, de behöver inte heller solljus för att göra det som resten av biosfären som vi är bekanta med."

Ser man längre bort på de andra planeterna i vårt solsystem, Boyd noterar att två av de kritiska elementen forskare letar efter när de utvärderar beboelighet är vatten och en energikälla. Den nyvunna kunskapen om att självförsörjande mikrobiella samhällen kan blomstra i isiga miljöer genom generering av vätgas är ett kritiskt steg mot att identifiera potentiellt beboeliga miljöer på andra planeter.

"Det finns massor av bevis för is och glaciärer på andra planeter, " sa han. "Är de beboeliga? Vi vet inte. Kan det finnas mikrober som lever under inlandsisar på planeter med berggrund som liknar dem som Eric studerade? Absolut. Det finns ingen anledning att tro något annat."

För Dunham, vars grund- och efterexamensforskning fokuserade på hälsovetenskap och virologi innan den gick över till biogeokemi, den mest givande delen av den nya upptäckten är att utforska hur olika jordprocesser passar ihop och påverkar varandra på ett sätt som det vetenskapliga samfundet bara börjar låsa upp.