Pod ziemią nie ma życia, brakuje tlenu, jest ciemność, a może piekło - tak przez wieki uważali ludzie. Dziś wiemy, że to nieprawda. Co więc żyje pod powierzchnią ziemi?
To zależy, jak głęboko spojrzymy. Jeszcze niedawno uważano, że istnieje tylko jedna biosfera, oparta na fotosyntezie. Zakładano, że całe życie na Ziemi zależy od materii organicznej produkowanej przez rośliny. Organizmy podziemne postrzegano jako cudzożywne, żywiące się tą materią. Sądzono, że życie sięga najwyżej kilkadziesiąt metrów w głąb - tyle, ile korzenie roślin i towarzyszące im mikroorganizmy. Przełomem była praca Thomasa Golda z 1992 roku, The Deep, Hot Biosphere (Głęboka, gorąca biosfera).
Autor postawił hipotezę, że poza znaną nam biosferą istnieje druga, sięgająca głęboko w skorupę ziemską i funkcjonująca na innych zasadach. Nie jest ona zależna od fotosyntezy, a organiczna materia powstaje tam w odmiennych procesach biochemicznych.
Była to odważna teza, ale wsparta dowodami - odkryciem chemoautotrofów, organizmów syntetyzujących materię organiczną bez światła, jedynie z substancji mineralnych. Późniejsze badania potwierdziły istnienie tej głębokiej biosfery. Ich prowadzenie jest ogromnym wyzwaniem - trudno zbadać życie kilometr czy kilka kilometrów pod ziemią i oszacować jego skalę. Liczby w tym obszarze są wciąż obarczone dużym błędem. Najważniejsze jednak jest to, że dziś możemy mówić o „dwóch biosferach”: pierwszej, dobrze poznanej, obejmującej powierzchnię Ziemi, cienką warstwę litosfery - głównie glebę, całą hydrosferę i dolną warstwę atmosfery, oraz drugiej - głębokiej, która może funkcjonować niezależnie. To fascynujące odkrycie otwiera nowe możliwości, szczególnie dla astrobiologów.
Ale astrobiolodzy badają potencjalne życie pozaziemskie.
To prawda, zajmują się życiem poza Ziemią, ale do momentu tego odkrycia wydawało się, że jeśli chcemy znaleźć organizmy na innych planetach, musimy szukać miejsc o warunkach bardzo zbliżonych do ziemskich: z wodą na powierzchni, światłem słonecznym, tlenem i dwutlenkiem węgla - czyli wszystkim, co napędza biosferę, jaką znamy.
Odkrycie głębokiej, gorącej biosfery pokazało jednak, że życie może istnieć głęboko pod powierzchnią - i to nie tylko na Ziemi.
Oznacza to, że wcale nie musimy ograniczać się do planet tak bardzo podobnych do naszej. Organizmy mogą funkcjonować w warunkach zupełnie innych niż te, które znamy z powierzchni Ziemi, co otwiera nowe perspektywy w poszukiwaniach życia w kosmosie.
Dlaczego mówimy o „głębokiej i gorącej” biosferze?
„Głęboka”, ponieważ rozciąga się na co najmniej cztery kilometry pod powierzchnią Ziemi. To właśnie tam, na tej głębokości, odnaleziono nieznane wcześniej nauce bakterie chemoautotroficzne. Ich istnienie potwierdzono dzięki głębokim odwiertom, które pozwalają pobrać próbki mikroorganizmów i następnie hodować je w laboratorium. A „gorąca” dlatego, że im głębiej, tym panuje wyższa temperatura.
Średnio rośnie ona o 20-30 stopni Celsjusza na każdy kilometr głębokości. Na czterech kilometrach sięga już ponad stu stopni Celsjusza!
Dotychczas sądzono, że w takich warunkach życie nie jest możliwe, ponieważ wysoka temperatura prowadzi do denaturacji białek. Tymczasem odkryto organizmy, które przystosowały się do temperatur nawet rzędu 120 stopni Celsjusza, co całkowicie zmienia nasze dotychczasowe wyobrażenia o granicach życia.
Wrócę do mojego pytania: co zatem żyje pod ziemią?
Funkcjonowanie biosfery opartej o fotosyntezę opiera się na dwóch podstawowych procesach: syntezie i rozkładzie materii organicznej. Rośliny produkują materię organiczną, ale nie potrafią jej ponownie wykorzystać - potrzebują substancji mineralnych. Dlatego tak istotny jest jej rozkład, który zapewnia obieg pierwiastków. Bez niego materia organiczna by się nagromadziła, a zapasy substancji mineralnych wyczerpałyby się, co uniemożliwiłoby dalszy wzrost roślin. Rozkładem martwej materii zajmuje się cała grupa organizmów.
Na co dzień łatwiej dostrzegamy zwierzęta roślinożerne - sarny, zające, owady żerujące na roślinach - ale rzadziej uświadamiamy sobie, jak wiele życia kryje się pod ziemią.
Z badań wynika, że biomasa ptaków na hektar może wynosić 2-3 kg, podobnie w przypadku saren. Owady to już około 20 kg na hektar. Ale w glebie żyją organizmy, których biomasa wynosi... setki kilogramów na hektar! Dżdżownice potrafią osiągać nawet dwie tony biomasy na hektar. Do tego dochodzą bakterie i grzyby, które odgrywają kluczową rolę w rozkładzie martwej materii organicznej. A co, jeśli zejdziemy głębiej, do gorącej biosfery? Tu sytuacja jest znacznie mniej zbadana. Istnieją szacunki mówiące o 20 miliardach ton biomasy w głębokiej biosferze, ale niektórzy naukowcy twierdzą, że może być jej tyle samo, co w biosferze naziemnej. To oznaczałoby, że połowa życia na Ziemi znajduje się pod jej powierzchnią! Jednak w przeciwieństwie do biosfery, którą znamy - „napędzanej” przez fotosyntezę - ta głęboka biosfera funkcjonuje w sposób, który dopiero zaczynamy rozumieć. Jej znaczenie dla globalnego ekosystemu pozostaje póki co w dużej mierze tajemnicą.
Czy powinniśmy mówić „pod ziemią” czy „w glebie”? Jakie są różnice między warstwami gleby?
To ważne rozróżnienie - gleba i skorupa ziemska to dwa różne pojęcia. Jeśli mówimy o organizmach żyjących w glebie, odnosimy się do tych należących do „pierwszej biosfery”, tej opartej na fotosyntezie. Natomiast gdy używamy określenia „organizmy żyjące w skorupie ziemskiej”, mamy na myśli organizmy „głębokiej, gorącej biosfery”.
Sama struktura gleby zależy od warunków, w jakich gleba powstała.
W naszych szerokościach geograficznych naturalnym ekosystemem jest las - gdybyśmy zostawili krajobraz nietknięty, po kilkuset latach wszędzie rosłyby lasy. Jednak nawet gleby leśne mogą się znacząco różnić. Przykładem jest Puszcza Niepołomicka koło Krakowa, gdzie, mimo tego samego klimatu, występują różne typy lasów - głównie bory sosnowe i grądy. W grądach gleba jest bogata w organizmy, takie jak dżdżownice i wazonkowce, które intensywnie mieszają materię organiczną z mineralną, przez co warstwy gleby są słabo widoczne. Natomiast w borach sosnowych zachodzi proces bielicowania - kwaśna ściółka powoduje wymywanie minerałów, pozostawiając pod warstwą próchniczą biały piasek kwarcowy, charakterystyczny dla gleb bielicowych. W tropikach z kolei uwarstwienie gleby wygląda zupełnie inaczej. Pod cienką warstwą ściółki znajduje się piasek kwarcowy z tlenkami glinu i żelaza, a reszta składników odżywczych jest wypłukiwana. Gleby tropikalne są ubogie, a procesy rozkładu zachodzą błyskawicznie, przez co nie widać typowego uwarstwienia, znanego z umiarkowanych stref klimatycznych.
Jak organizmy przystosowały się do życia pod ziemią? Jakie cechy anatomiczne im to umożliwiają?
Pierwszym i najbardziej oczywistym przystosowaniem jest brak potrzeby widzenia - oczy są zbędne. Organizmy żyjące w głębszych warstwach gleby często tracą zdolność widzenia, choć nie zawsze. Wiele gatunków spędza pod ziemią tylko część swojego cyklu życiowego. Przykładem są rozmaite chrząszcze, na przykład z rodziny biegaczowatych - ich larwy rozwijają się w glebie, ale już dorosłe osobniki żyją na powierzchni. Ponieważ funkcjonują na niewielkich głębokościach, gdzie mają dostęp do tlenu, a nawet światła, dlatego nie wymagają specjalnych przystosowań. Dopiero organizmy żyjące głębiej muszą wykazywać wyraźniejsze adaptacje. Niektóre gatunki dżdżownic kopią korytarze o głębokości nawet 1-2 metrów. Nie mają oczu, ale zachowały światłoczułe komórki, które pozwalają im rozpoznać, czy znajdują się blisko powierzchni, co jest kluczowe dla ich przetrwania.
Co ciekawe, wiele podziemnych organizmów potrafi samodzielnie kształtować swoje środowisko. Dżdżownice, nazywane „inżynierami ekosystemów”, przekopują glebę, tworząc sieć korytarzy, co umożliwia cyrkulację powietrza i wnikanie tlenu w głębsze warstwy.
Przyczyniają się także do napowietrzania gleby i ułatwiają wnikanie wody, dzięki czemu warunki stają się bardziej sprzyjające do życia. W płytkiej warstwie gleby przystosowania są stosunkowo proste: organizm musi umieć kopać, rozpoznawać położenie względem powierzchni i wykorzystywać martwą materię organiczną jako źródło pożywienia. Te strategie nie różnią się znacząco od przystosowań typowych roślinożerców - tyle że zamiast liści czy traw, wykorzystują martwe szczątki organiczne.
Jakie są największe zagrożenia dla organizmów żyjących pod ziemią?
Największym zagrożeniem dla wszystkich organizmów na Ziemi, w tym tych żyjących pod ziemią, jest człowiek. Kluczowe problemy to zanieczyszczenia i przekształcanie przestrzeni, czyli sposób, w jaki zarządzamy środowiskiem.
Kiedy wycinamy las i przekształcamy go w pole uprawne, całkowicie zmieniamy ekosystem. Organizmy glebowe są silnie związane z określonymi warunkami, a my te warunki radykalnie naruszamy. W efekcie giną całe zespoły organizmów, a gleba traci swoją naturalną równowagę.
Takie procesy zachodzą na całym świecie - nie tylko w lasach, ale też na preriach, sawannach i innych ekosystemach. Poza zmianą użytkowania terenu ogromnym zagrożeniem są zanieczyszczenia chemiczne. Można je podzielić na dwie główne kategorie: zanieczyszczenia przemysłowe i środki chemiczne stosowane w rolnictwie. Dobrym przykładem tych pierwszych są metale ciężkie - cynk, ołów, kadm - które przez dekady trafiały do środowiska w wyniku działalności fabryk i spalania paliw kopalnych. W latach 50.-70. XX wieku problem ten był szczególnie poważny. Przykładowo, naturalne stężenie cynku w glebie wynosi około 100 mg na kilogram, ale w okolicach Huty Bolesław w Olkuszu przekraczało nawet 10 tys. mg/kg! Chociaż dziś mamy technologie oczyszczania spalin, metale ciężkie wciąż zalegają w glebie i wpływają na organizmy glebowe. Druga kategoria zanieczyszczeń, czyli nawozy i środki ochrony roślin, to substancje chemiczne uwalniane do środowiska celowo. Pestycydy mają eliminować szkodniki, ale ich działanie nie jest selektywne - wpływają także na organizmy pożyteczne, w tym mikroorganizmy rozkładające materię organiczną. Długofalowo prowadzi to do degradacji gleby i zaburzenia procesów, które w niej zachodzą. Zanieczyszczenia i zmiany w użytkowaniu terenu powodują, że gleba traci swoją żyzność i zdolność do podtrzymywania życia. To problem, który dotyka nie tylko organizmy podziemne, ale całą biosferę.
Czy organizmy glebowe mogą adaptować się do zanieczyszczeń, takich jak metale ciężkie czy nawozy i środki ochrony roślin?
W przypadku silnego skażenia gleby znaczna część organizmów glebowych ginie lub spowalnia swoje procesy metaboliczne, co prowadzi do zahamowania rozkładu materii organicznej. W rejonach silnie zanieczyszczonych, na przykład w pobliżu hut, warstwa nierozłożonej materii organicznej mogła w ciągu 20-30 lat zwiększyć się kilkukrotnie. Ewolucja może jednak prowadzić do powstawania mechanizmów adaptacyjnych, podobnie jak u szkodników rozwijających oporność na pestycydy. W populacjach narażonych na toksyczne substancje mogą pojawiać się mutacje umożliwiające neutralizację zanieczyszczeń.
Jednak takie zmiany mają swoją cenę - organizmy te przystosowują się jedynie do konkretnego zagrożenia, tracąc przy tym inne cechy, które byłyby korzystne w bardziej zróżnicowanych warunkach.
Nagłe i silne działanie substancji toksycznych eliminuje większość populacji, a przeżywają jedynie nieliczne osobniki posiadające przypadkową mutację, co prowadzi do zubożenia puli genetycznej gatunku.
Zmiany klimatyczne także wpływają na organizmy glebowe?
Wpływ zmian klimatycznych na biosferę podziemną jest trudny do jednoznacznego określenia, ponieważ gleba jest stosunkowo stabilnym środowiskiem. Wiele organizmów naziemnych wykorzystuje ją jako schronienie przed ekstremalnymi warunkami, na przykład zimą, gdy temperatura na głębokości kilkunastu centymetrów pozostaje dodatnia.
Można przypuszczać, że organizmy glebowe są mniej narażone na bezpośrednie skutki ocieplenia niż te żyjące na powierzchni.
Jednak długofalowe zmiany, takie jak przekształcenie lasów iglastych w liściaste (a to już obserwujemy), wpłyną na strukturę gleby i dostępność materii organicznej, co może prowadzić do trudnych do przewidzenia konsekwencji.
Czy gleba posiada naturalne mechanizmy samooczyszczania, które mogą być wspierane lub stymulowane przez człowieka?
To zależy od rodzaju zanieczyszczeń, z których gleba miałaby się oczyścić. W przypadku skażenia metalami ciężkimi jedynym naturalnym mechanizmem jest ich wymywanie, czyli stopniowe przenikanie w głębsze warstwy gleby i wód gruntowych, ale jest to proces niezwykle powolny, trwający często setki, a nawet tysiące lat. Z kolei substancje organiczne, takie jak pestycydy, mogą ulegać rozkładowi, ponieważ są degradowane przez mikroorganizmy glebowe.
To oznacza, że gleba posiada pewną zdolność do samooczyszczania, ale jej skuteczność zależy od rodzaju zanieczyszczeń oraz warunków środowiskowych.
Procesy te mogą być wspierane przez człowieka poprzez bioremediację, czyli stosowanie roślin, które potrafią akumulować metale w swoich tkankach lub mikroorganizmów zdolnych do rozkładu szkodliwych substancji organicznych. Problem polega jednak na tym, że zanim takie mechanizmy zadziałają i zanieczyszczenia ulegną rozkładowi, mogą wyrządzić poważne szkody w ekosystemie. Dlatego kluczowe jest nie tylko wspieranie naturalnych mechanizmów oczyszczania gleby, ale przede wszystkim unikanie jej nadmiernego zanieczyszczania.
Można powiedzieć, że gdyby organizmy żyjące w glebie zniknęły, życie na powierzchni również by przestało istnieć?
To bardzo radykalne stwierdzenie i choć nie można powiedzieć, że życie całkowicie by wygasło, to bez wątpienia uległoby ono drastycznym zmianom. Przede wszystkim przestałoby istnieć życie w takiej formie, w jakiej je znamy - łańcuchy pokarmowe zostałyby przerwane, cykle obiegu materii zakłócone, a ekosystemy lądowe uległyby degradacji.
Bez organizmów glebowych, które odpowiadają za rozkład materii organicznej i obieg pierwiastków, gleba stopniowo stałaby się jałowa, co uniemożliwiłoby wzrost roślin, a w konsekwencji zagroziłoby istnieniu zwierząt i ludzi.
Jednak życie jako takie prawdopodobnie by przetrwało. Dowodem jest to, o czym już wspomnieliśmy - istnienie „głębokiej, gorącej biosfery” - organizmów żyjących kilka kilometrów pod powierzchnią Ziemi, w ekstremalnych warunkach. Nawet gdyby doszło do katastrofalnej zagłady biologicznej na powierzchni, jakieś formy życia mogłyby przetrwać w głębi skorupy ziemskiej i z czasem ponownie skolonizować powierzchnię planety. Pytanie więc nie dotyczy tego, czy życie jako całość przetrwa, ale czy my jako gatunek będziemy w stanie utrzymać warunki sprzyjające naszemu istnieniu. Jesteśmy w wyjątkowym momencie historii - mamy zarówno środki, by zniszczyć biosferę, jak i narzędzia, by ją ochronić. Często słyszymy, że jesteśmy ostatnim pokoleniem, które może cieszyć się komfortowymi warunkami na Ziemi, ale to nie do końca prawda. Możemy być pierwszym pokoleniem, które zatrzyma degradację biosfery, jednocześnie nie rezygnując z postępu i wygody. Wybór należy do nas.
