Genomic and experimental evidence from Antarctic geothermal sites indicates diverse thermophiles are globally cosmopolitan

Decennialang hielden wetenschappers een specifiek beeld van het leven in extreme hitte. Ze geloofden dat de microscopische organismen die gedijen in kokend hete bronnen en vulkanische bodems leken op eilandbewoners, gevangen in hun eigen geïsoleerde zakjes van warmte. Omdat deze omgevingen verspreid over de hele wereld liggen en gescheiden worden door uitgestrekte stukken koude, onherbergzame grond, werd aangenomen dat de hitteminnende microben die daar leven, niet tussen hen door konden reizen. De heersende theorie suggereerde dat deze wezens, zonder het vermogen om taaie, rustende sporen te vormen om een reis te overleven, vastzaten waar ze begonnen waren en in isolatie evolueerden. Dit idee was logisch: als je niet tegen de kou, de droogte of het harde ultraviolette licht van de open atmosfeer kunt, kun een oceaan of een continent oversteken om een nieuwe warme bron te vinden.

Een nieuwe studie daagt dit langgehouden geloof uit door te kijken naar de meest geïsoleerde hete plekken op aarde: de geothermische bodems rond vulkanen in Antarctica. Deze locaties zijn omringd door ijs en sneeuw, ver verwijderd van andere warme plaatsen, wat ze de perfecte testcase maakt voor de vraag of hitteminnend leven werkelijk gevangen zit. Door de genetische blauwdrukken van de microben die daar leven te onderzoeken en te testen hoe goed ze barre omstandigheden overleven, hebben onderzoekers ontdekt dat veel van deze organismen helemaal geen lokale bewoners zijn. In plaats daarvan lijken ze wereldreizigers te zijn, in staat om zich over de wereld te verplaatsen en zich in nieuwe, verre warme bodems te vestigen, waarmee ze het idee tarten dat hitte minners inherent op hun plek vastzitten.

Het onderzoeksteam, geleid door wetenschappers uit Nieuw-Zeeland en de Verenigde Staten, richtte zich op vier specifieke geothermische locaties in Antarctica, waaronder de beroemde Mount Ereus, de meest zuidelijke actieve vulkaan op de planeet. Ze verzamelden bodemmonsters uit deze warme plekken en gebruikten geavanceerde genetische sequencing om de genomen van de aanwezige microben te reconstrueren. Vervolgens vergeleken ze deze genetische profielen met een enorme wereldwijde database van microbiële DNA uit andere warme omgevingen over de hele wereld. De resultaten waren verrassend. Ze ontdekten dat bijna twee derde van de hitteminnende microben uit deze geïsoleerde Antarctische locaties genetische overeenkomsten had met andere delen van de wereld, van hete bronnen in de Verenigde Staten tot bodems in Zuid-Amerika. Dit suggereert dat deze organismen niet uniek zijn voor Antarctica, maar deel uitmaken van een wijdverspreide, wereldwijde populatie die tussen continenten beweegt.

Om te begrijpen hoe deze minuscule organismen zo'n lange reis door de ijzige, droge en zonovergoten atmosfeer zouden kunnen overleven, namen de onderzoekers drie van deze Antarctische microben mee naar het laboratorium. Ze onderwierpen de culturen aan omstandigheden die een reis door de lucht nabootsten: extreme kou, een totaal gebrek aan voedsel, uitdroging en intense ultraviolette straling. De resultaten lieten zien dat deze microben veel taaier waren dan verwacht. Hoewel het ultraviolette licht de meest schadelijke factor was, waarbij veel cellen werden gedood, overleefde een aanzienlijk deel van de populatie de bevriezing en de uitdroging gedurende weken. Eén van de microben, een type Geobacillus, was zelfs in staat om sporen te vormen, die als een schild fungeerden waardoor het de meest barre straling kon weerstaan. De anderen, die geen sporen vormen, bleven toch met een hoge veerkracht overleven, wat suggereert dat ze over hun eigen biologische pantser beschikken, zoals hoge niveaus van beschermende DNA-reparatiemechanismen of pigmenten die hen tegen de zon beschermen.

De studie onderzocht ook hoe deze microben überhaupt in de lucht terecht kunnen komen. De onderzoekers bestudeerden ijskernen die uit een gletsjer nabij Mount Ereus waren geboord, op zoek naar lagen vulkanische as, bekend als tefra, die tijdens erupties worden afgezet. Ze vonden dat deze aslagen rijk waren aan hitteminnende microben, inclusen velen die niet in het omliggende ijs aanwezig waren. Dit geeft aan dat wanneer een vulkaan uitbarst, deze fungeert als een gigantische lift die bodem en microben hoog in de atmosfeer schiet, waar ze de wind kunnen vangen en grote afstanden kunnen afleggen. Bovendien verzamelde het team luchtmonsters direct boven de hete bodems van Mount Ereus en stelde vast dat er al hitteminnende microben in de lucht boven de vulkaan zweefden, klaar om door de wind te worden meegenomen.

Om te testen hoe snel deze microben een nieuw gebied kunnen herkoloniseren, keken de onderzoekers ook naar een locatie in Hawaï die vier jaar eerder door een lavastroom was gesteriliseerd. Ze ontdekten dat de hete bodems daar al huis waren aan veel hitteminnende microben die genetisch identiek waren aan stammen uit andere delen van de wereld. Dit snelle terugkeer van specifieke wereldwijde stammen naar een recent gestolde site suggereert dat verspreiding geen zeldzame, een-op-een-miljoen gebeurtenis is, maar een regelmatige voorkomst die plaatsvindt op een tijdschaal van jaren. De microben die arriveerden waren niet alleen degenen die sporen konden vormen; veel waren niet-sporenvormende types die vanuit verre locaties waren gereisd, waarschijnlijk over de Stille Oceaan.

De onderzoekers identificeerden specifieke eigenschappen die deze microben lijken te helpen. Ze ontdekten dat de wereldreizigers de neiging hebben om een hoger gehalte aan bepaalde chemische bouwstenen in hun DNA te hebben, wat kan helpen bij de bescherming tegen schade door zonlicht. Ze ontdekten ook dat veel van deze wereldreizigers genen bezitten die hen in staat stellen om sporen van gassen in de lucht te consumeren, wat een energiebron biedt terwijl ze door de lucht drijven. Daarnaast waren de wereldreizigers eerder in staat om bij een breder scala aan temperaturen te groeien, inclusief koelere, gematigde temperaturen, wat hen in staat zou stellen de koude reis te overleven voordat ze een nieuwe warme plek vinden om een thuis te noemen.

Dit werk verandert fundamenteel ons begrip van hoe het leven zich over de planeet verspreidt. Het laat zien dat het vermogen om in extreme hitte te leven niet automatisch betekent dat een organisme op één plek gevangen zit. In plaats daarvan hebben veel hitteminnende microben de instrumenten ontwikkend die nodig zijn om de barre omstandigheden van de atmosfeer te overleven, waardoor ze enorme afstanden kunnen afleggen en nieuwe omgevingen kunnen koloniseren. De studie suggereert dat de wereld van het hitteminnende leven veel meer verbonden is dan voorheen gedacht, waarbij microben constant tussen de geïsoleerde warme bronnen van de wereld bewegen, gedragen door de wind en de incidentele vulkanische eruptie. Hoewel de studie niet bewijst dat elke enkele hitteminnende microbe een wereldreiziger is, levert het sterk bewijs dat een aanzienlijk deel van hen dat wel is, wat de regels voor hoe het leven zich verspreidt in de meest extreme omgevingen op aarde herschrijft.