Углеводороды играют ключевую роль в атмосферной и биогеохимии, энергетике и изменении климата. Большинство углеводородов образуются в анаэробных средах в результате высокотемпературного или микробного разложения органического вещества. Микроорганизмы также могут «поедать» углеводороды под землей, препятствуя их попаданию в атмосферу. Используя новую методику, разработанную в Институте наук о Земле и жизни (ELSI), международная команда под руководством профессоров Токийского технологического института Алексис Гилберт, Наохиро Йошида и Юитиро Уэно продемонстрировала, что биологическая деградация углеводородов дает уникальную биологическую сигнатуру. Эти результаты могут помочь обнаружить подземную биологию и понять круговорот углерода и его влияние на климат.
Человечество использует огромные запасы углеводородов на Земле как один из основных источников энергии. Способы, которыми углерод фиксируется и перерабатывается во время образования этих резервуаров, имеют важные последствия для разведки ресурсов. Кроме того, выброс углеводородов из подземных резервуаров Земли может иметь важные последствия для климата Земли, поскольку легкие углеводороды, такие как метан, являются мощными парниковыми газами. Ученые хотели бы понять потенциально важную роль огромной подповерхностной биосферы Земли в поведении глубоких резервуаров углеводородов. На сегодняшний день трудно оценить, насколько углеводороды пострадали от подземных микроорганизмов.
Гилберт и его коллеги преодолели эту трудность, используя новый метод, разработанный в ELSI, который позволяет измерять отношения стабильных изотопов углерода в зависимости от положения. Углеводороды в основном представляют собой длинные цепочки атомов углерода, присоединенных к атомам водорода, но углерод имеет два распространенных в природе изотопа (типы атомов углерода с разным количеством нейтронов и, следовательно, с разными массами, которые можно измерить), углерод-12 (12C) и углерод-13 (13C). Благодаря тому, как организмы формируют молекулы, которые в конечном итоге становятся углеводородами окружающей среды, соотношение 12C/13C для каждого конкретного положения атома углерода в углеводород может быть уникальным. Исследование здесь было сосредоточено на пропане, молекуле углеводорода природного газа, содержащей три атома углерода.
Исследователи давали пропан микроорганизмам в лаборатории, чтобы измерить специфическую сигнатуру 12C/13C, произведенную этими организмами, и измерили небиологические изменения, происходящие при разложении пропана при высоких температурах, процесс, известный как «крекинг». Затем они использовали эти базовые измерения для интерпретации проб природного газа из США, Канады и Австралии, что позволило им обнаружить присутствие микроорганизмов, использующих пропан в качестве «пищи» в резервуарах с природным газом, и количественно определить количество углеводородов, съеденных микроорганизмами.«Когда я начал анализировать образцы из экспериментов по моделированию бактерий, они полностью соответствовали тому, что мы наблюдали в полевых условиях, что свидетельствует о присутствии бактерий, разлагающих пропан, в резервуарах природного газа», - отметил Гилберт. Таким образом, это исследование выявило присутствие микроорганизмов, которые было бы трудно обнаружить с помощью обычных методов, и открывает новое окно в понимании глобального круговорота углеводородов.
Меня особенно интересовало расшифровывание биологических и небиологических процессов, связанных с органическими молекулами. Этот вопрос имеет отношение к происхождению жизни, к обнаружению жизни во Вселенной, а также к нашему пониманию биосферы и его эволюции на Земле», - говорит Гилберт. Это исследование также имеет важные последствия для глобального изменения климата, поскольку пропан и другие углеводороды являются парниковыми газами и загрязняющими веществами. Хотя команда не пыталась количественно определить, сколько углеводородов «съедается» микроорганизмами в глобальном масштабе, они считают, что их подход позволит провести такую количественную оценку в ближайшем будущем, и предполагают, что это принесет пользу моделям, нацеленным на количественную оценку глобального цикла углеводородов.
Наконец, добавляет Гилберт, в будущем такой подход может быть полезен для обнаружения жизни на внеземных телах, таких как другие планеты или луны в нашей Солнечной системе. Хотя их нынешняя машина слишком велика для отправки в космос, их методы могут быть применены к образцам, доставленным на Землю, или их инструмент может быть миниатюризирован..