Havbundens dybe biosfære
Under verdenshavene har forskere opdaget Jordens største økosystem. Det er en næringsfattig, mørk og stort set iltfri verden, der bebos af mikroorganismer. De udgør flertallet af alle levende organismer på vores planet, men deres ekstremt langsomme liv er stadig et mysterium.

På baggrund af genetiske stamtræer har man udviklet en ny systematik med tre domæner af liv: Eukaryoterne, som alle dyr og planter og svampe hører til, og derudover bakterier og arkæer (kaldet prokaryoterne). Bakterier og arkæer er lige så forskellige i den genetiske evolution, som vi og bakterierne er. (Illustration: efter Bo Barker Jørgensen)

 

Livet på Jorden udfolder sig i et tyndt lag på planetens overflade. Her er sollysets energi og planternes fotosyntese grundlag for dannelsen af organisk materiale ud fra kuldioxid, vand og næringssalte.

Dyr og mikroorganismer lever af det organiske materiale og nedbryder det igen igennem de komplekse fødekæder, som gør jordens biosfære så rig på arter og forunderlige biologiske tilpasninger. Men også under landjordens overflade og dybt nede i undergrunden findes liv, som først er blevet opdaget inden for de seneste par årtier.

Et af de tidlige forsøg på at finde mikroorganismer i havbunden blev udført af den amerikanske mikrobiolog Claude ZoBell på Galathea 2-ekspeditionen i 1950-52 Han dyrkede bakterier fra forskellige dybder i havbunden og offentliggjorde siden sine undersøgelser med den konklusion, at der ikke findes bakterier i mere end fem meters dybde.

Der blev fundet flere hundrede bakterier i havbunden

Claude ZoBells konklusion blev først tilbagevist et kvart århundrede senere, efter at et stort internationalt boreprogram blev iværksat med henblik på at udforske havbundens geologiske opbygning og oceanets udvikling. De geokemikere, som arbejdede om bord på boreskibet, kunne påvise, at der langt nede i havbunden foregik kemiske ændringer, som med stor sandsynlighed måtte være biologisk katalyseret.

For eksempel blev det begravede organiske stof langsomt omdannet til metan. Det er en proces, som vi ved almindelige miljøtemperaturer også i dag anser for at være en stærk indikation på biologisk aktivitet – for eksempel når astrobiologer søger efter liv på andre planeter.

De geokemiske opdagelser motiverede sidst i 1980’erne mikrobiologer til at rejse med ud på boretogterne og søge efter mikroorganismer i de havbundskerner, som blev hentet op. Det gav gevinst. Der blev fundet bakterier mange hundrede meter nede i havbunden.

Til at starte med var man begejstret over at opdage, at der fandtes liv så dybt nede. Begejstringen blev fulgt af mange naturlige spørgsmål: Hvilke organismer er det? Hvordan lever de nede i havbunden? Spiller de nogen rolle for stofkredsløb og klima på Jordens overflade?

Bakterier og arkæer

De organismer, som forskerne opdagede dybt nede i havbunden, hører til henholdsvis bakterier eller arkæer, som tilsammen kaldes prokaryoter. De udgør to af de tre kendte domæner af liv på Jorden. Det tredje domæne er eukaryoterne, som omfatter dyr, planter og svampe samt mange mikroskopiske organismer.

Bakterier og arkæer er encellede mikroskopiske organismer med
en størrelse på 1/1000 mm. De har eksisteret på Jorden i næsten fire milliarder år – længe før planter og dyr kom til – og de har derfor haft lang tid til at udvikle en mangfoldighed af specielle stofskiftetyper. Det forklarer, at de har en meget alsidig evne til at katalysere biokemiske processer i forskellige miljøer og derfor spiller en afgørende rolle for naturens stofkredsløb.

Bakterier og arkæer ser måske lidt kedelige ud, for de er mest kugleformede eller aflange. Men indeni, hvor de biokemiske processer foregår, er de rigtig spændende. Dyr og planter derimod er langt mere afvekslende i størrelse og udseende, men deres stofskifte er – om ikke kedeligt – så langt mere ensartet.

Der findes langt flere bakteriearter end vi har kunne dyrke

Den biologiske diversitet blandt bakterier og arkæer er enorm. Der er i dag kun beskrevet knap 10.000 arter af bakterier – og langt færre arkæer – idet en artsbeskrivelse forudsætter, at organismerne har været dyrket
i renkultur i laboratoriet, så deres stofskifte og biokemi kan beskrives. Til sammenligning har videnskaben beskrevet omkring en million arter af dyr og planter.

Imidlertid
 har moderne molekylærbiologiske metoder – baseret på afkodning af DNA fra naturen – kunnet vise, at der findes langt flere arter af bakterier og arkæer end dem, vi har kunnet dyrke, måske hundrede eller tusind gange flere.

Fakta

Denne artikel stammer fra bogen '25 søforklaringer - Naturvidenskabelige fortællinger fra Søauditorierne'. Bogen bringes i samarbejde med Aarhus Universitetsforlag. Køb bogen her.

De mange arter kender vi endnu kun ud fra den genetiske kode i deres DNA. Vi antager, at der er tale om forskellige arter, hvis deres genetiske koder adskiller sig mere end 3 %. En forskel på 3 % i den genetiske kode ville for dyr og planter automatisk tolkes som forskellige arter. For eksempel er der kun 1 % forskel i den genetiske kode for mennesker og chimpanser.

Når de mange arter af bakterier og arkæer stadig er ukendte, skyldes det ofte, at forskerne ikke har kunnet få dem til at gro i laboratoriet. Måske har man ikke tilbudt dem de rigtige livsbetingelser, eller også vil de ikke gro af grunde, som forskerne endnu ikke forstår. Endelig kan det være, at de bare gror så langsomt, at forskerne ikke har haft tålmodighed til at vente.

Kunsten at hente liv op fra dybet

Udforskningen af livet dybt nede i havbunden forudsætter, at man kan hente materiale op dernedefra til at studere. Videnskabelige boringer i havbunden er baseret på en avanceret teknologi, som stammer fra olieindustrien, men som er videreudviklet, så boreudstyret kan hente lange kerner af havbunden op til overfladen.

Under hele operationen ligger boreskibet stille ude på oceanet ved hjælp af GPS-navigation og et stort antal propeller. Et stort borerør, som skrues sammen af et stort antal længder på 10 meter, føres ned til havbunden, og med en roterende borekrans kan det trænge igennem selv de hårdeste lag.

Selve borerøret bruges imidlertid ikke til prøvetagning. Det gør derimod et fremskudt stempelbor – et plastikforet stålrør, som i ti meters dybdeintervaller skydes ud fra enden af borerøret, så det kan tage en næsten uforstyrret kerne af havbund, som borekransen endnu ikke har forstyrret. Denne kerne sidder i et plastikrør, som forskerne kan tage prøver fra til mange forskellige slags analyser og til studier af mikroorganismer.

En af de største udfordringer for mikrobiologerne er at sikre, at de bakterier, som
de finder i prøverne fra dybet, faktisk levede dernede og ikke er tilført under boreprocessen, hvor hundredevis af kubikmeter havvand spules ned for at skylle borematerialet ud. Derfor pumper man også et kemisk sporstof med ned i borevandet, og 1013 (titusind milliarder) fluorescerende plastikpartikler af bakteriestørrelse spredes, når stempelboret skydes videre ned i havbunden.

Mikrobiologerne anvender kun prøver fra kernen, hvis de ikke indeholder sporstof eller fluorescerende partikler og dermed sandsynligvis ikke er forurenet med bakterier udefra. Og hvad er det så for kernemateriale, som hentes op?

Havbundens opbygning

Havbunden er opbygget af et globalt netværk af basaltplader i stadig bevægelse. Basalten dannes i oceanerne langs de undersøiske bjergrygge, hvor magma vælder op fra dybet og størkner til en stenhård undergrund, som langsomt skubbes ud til siderne.

I Atlanterhavet skubber havbundspladerne kontinenterne foran sig, således at Nord- og Sydamerika hvert år fjerner sig få centimeter fra Europa og Afrika. I Stillehavet tørner havbundspladerne mod kontinentalrandene, hvor de presses ned i undergrunden og smeltes om igen.

I de mange millioner af år, hvor havbundspladerne er undervejs, aflejres hele tiden finkornet materiale, som synker ned fra vandsøjlen og danner den egentlige havbund. Partiklerne stammer fra mikroskopiske alger og dyr, som lever i de produktive vandmasser, hvor fotosyntesen foregår, eller de stammer fra materiale fra kontinenterne, som kommer ud med de store floder.

Tæt på de midtoceaniske rygge, hvor havbundsskorpen er ny, er sedimentlaget endnu ganske tyndt, mens der på den ældste skorpe langs oceanernes rand kan være aflejret flere kilometer sediment.

Øverst er havbunden ganske ung

Når man borer ned i havbunden og trækker kerner op fra større og større dybder, bevæger man sig samtidig ned igennem et arkiv over oceanernes historie. De forskellige lag
i havbunden kan dateres ud fra egenskaber som for eksempel sedimenttype, kemi og fossile rester af organismer, som levede i havet i forskellige geologiske perioder.

Når frisk magma fra jordens indre presses op, bliver havbundens skorpe af basalt langsomt skubbet ud til siderne og sprækker. En ny skorpe bliver formet, og samtidig drysser små døde alger og dyr og mineralkorn ned og danner langsomt tykke aflejringer oven på basalten. I aflejringerne – og endda i basaltens porøse sten – findes et mangfoldigt liv af bakterier og arkæer, som først er blevet opdaget inden for de seneste årtier. (Illustration: Fra Jørgensen og Toftdal, Aktuel Naturvidenskab 2011)

Øverst er havbunden ganske ung, men under overfladen bliver den stadig ældre, og den er op til hundrede millioner år, hvor oceanskorpen er ældst. Samtidig stiger temperaturen med 20-40° C pr. kilometers dybde på grund af Jordens indre varme.

I havbunden ændrer betingelserne for liv sig således radikalt med dybden. Det begravede organiske materiale bliver stadig ældre og mindre tilgængeligt for biologisk nedbrydning, og det bliver stadig varmere. Når det organiske materiale begraves til flere kilometers dybde, hvor temperaturen overstiger 100° C, omdannes det over geologisk tid til kulbrinter som olie og gas.

 

Folketælling i den dybe biosfære

I de seneste par årtier har mikrobiologer undersøgt mængden af mikroorganismer i kerner fra videnskabelige boringer rundt om i oceanerne. Bakterier og arkæer bliver gjort synlige i sedimentet ved farvning af deres DNA med fluorescerende farvestof, hvorefter de enkelte celler kan registreres og tælles under et fluorescensmikroskop. Resultaterne har været et gennembrud for forskningen.

Så langt ned i havbunden, mikrobiologerne har været i stand til at undersøge sedimentet for celler, har der været liv. Mens der ved havbundens overflade er omkring en milliard celler i en kubikcentimeter (en teskefuld) mudder, falder antallet i nogle hundrede meters dybde til en million eller færre.

Spiller disse begravede samfund af bakterier og arkæer nogen rolle i global sammenhæng, eller er de blot langsomt hendøende rester fra livet på Jordens overflade? I 1998 gjorde tre amerikanske mikrobiologer (W.B. Whitman, D.C. Coleman og W.J. Wiebe) det vovestykke at regne alle kendte data for celletal i forskellige økosystemer på jorden sammen. Selvom resultatet var behæftet med stor usikkerhed, var konklusionen slående.

 

Den første samtælling af mikroorganismer var meget overraskende

Størstedelen af alle mikroorganismer findes i den dybe biosfære, enten i undergrunden på kontinenterne eller nede i havbunden. Til trods for deres ringe størrelse konkluderede undersøgelsen, at de udgør over en tiendedel af den samlede levende biomasse på vores planet.

Resultaterne er i de nyeste data og seneste beregninger blevet justeret noget nedad, men det rokker ikke ved, at det stadig er en stor del af livet på vores planet, som findes i undergrunden.

Denne første sammentælling af mikroorganismer på jorden var meget overraskende. Den samlede mængde organisk kulstof og energi, som er til rådighed for de levende organismer i undergrunden, er mindre end 1 % af den samlede energi, som bindes igennem fotosyntese på jordens overflade og dermed indgår i det globale kulstofkredsløb.

Organismerne dernede lever således af dødt algemateriale, som blev aflejret en gang i en fjern fortid, og som igennem lange geologiske perioder er blevet nedbrudt med stadig ringere hastighed. Hvordan kan der blive ved med at være føde til rådighed i de ældgamle sedimenter? Hvor stort antal celler kan opretholde livet, og hvor hurtigt – eller langsomt – kan de gro? Det begynder forskerne faktisk at kunne svare på.

 

Livet i krybesporet

En vigtig forklaring er, at organismerne har et ekstremt lavt stofskifte, så livet i undergrunden går meget langsomt. Der er flere måder, hvorpå mikroorganismernes stofskifte og vækst kan beregnes i den dybe biosfære, men beregningerne forudsætter et kendskab til, hvordan organismerne lever i forhold til det kemiske miljø og de energikilder, som er til rådighed.

En respiration med ilt – som hos de fleste dyr og planter – er generelt kun mulig i de øverste centimeter af havbunden, hvor ilt fra havvandet trænger ned. Her lever de aerobe (iltrespirerende) mikroorganismer.

Dybere nede dominerer bakterier, som respirerer med sulfat – en ion, som findes ning. Samtidig kan størrelsen af de relevante bakteriesamfund bestemmes ved hjælp af molekylærbiologiske metoder, som er i stand til at skelne, om mikroorganismerne er sulfatrespirerende eller har et andet stofskifte.

Ifølge de første beregninger over det samlede antal bakterier og arkæer på jorden findes de fleste mikroorganismer nede i undergrunden. Deraf lever halvdelen i havbunden og udgør en anselig brøkdel af den samlede levende biomasse på jorden. Artsrigdommen i denne dybe biosfære er meget stor, og næsten alle arter er ukendte. (Diagram: Data fra Whitman et. al. 1997)

Når dermed både antallet af respirerende mikroorganismer og den samlede respiration i en cm3 af havbundsmateriale er kendt, kan den gennemsnitlige respirationshastighed pr. celle beregnes.

 

Respirationshastigheden i havbunden er ti tusinde gange lavere end i laboratoriekulturer

For de sulfatrespirerende bakterier har sådanne beregninger vist, at respirationshastigheden dybt nede i havbunden er ti tusinde gange lavere end i de laboratoriekulturer, hvorfra vi kender disse bakteriers fysiologi.

Respirationshastigheden er endda hundrede gange lavere end den laveste hastighed, man har målt i laboratoriekulturer, og som kaldes det basale vedligeholdelsesstofskifte. Stofskiftet er faktisk så lavt, at videnskaben endnu ikke har kunnet forklare, hvordan
det er muligt for cellerne at opretholde selv de simpleste funktioner, som levende celler er afhængige af.

For de sulfatrespirerende bakterier svarer det beregnede stofskifte til, at hver bakteriecelle i gennemsnit respirerer med en enkelt sulfat-ion i sekundet.

Det er vanskeligt at forestille sig et så lavt stofskifte, men man kan for eksempel sammenligne det med det minimale stofskifte, cellerne skal bruge for at bevæge sig. Mange bakterier svømmer ved hjælp af flageller, der minder om en proptrækker, som roterer meget hurtigt.

En normal bakterie, som svømmer med enkelt flagel, behøver flere tusinde sulfat-ioner hvert sekund for at dække det nødvendige energiforbrug til at drive flagelmotoren. Altså har cellerne i den dybe biosfære som gennemsnit ingen chance for at bevæge sig ved flagelkraft. Deres stofskifte er tusind gange for lavt.

 

Generationstider på op til 1.000 år

Med et så langsomt stofskifte må bakterierne også gro ekstremt langsomt. Hvis man antager, at de kan anvende cirka en tiendedel af det kulstof, de optager som føde, til at indbygge i deres biomasse og dermed gro, kan man bestemme deres væksthastighed.Man kan også beregne, hvor lang tid det vil tage, før de har taget tilstrækkelig føde til sig til at fordoble deres vægt og er parat til at dele sig 
i to datterceller.

Den tid, det tager, er deres gennemsnitlige generationstid, og den har overraskende vist sig at være 100-1.000 år. Mikroorganismerne nede i undergrunden lever altså så langsomt, at det slet ikke kan sammenlignes med de laboratoriekulturer, som man hidtil har studeret.

Det langsomme liv er formodentlig en vigtig grund til, at mikrobiologerne ikke har kunnet få bakterierne og arkæerne til at gro i laboratoriekulturer. Man har ikke tid til at vente i hundrede år.
 Derfor anvender forskerne i dag helt andre, avancerede metoder, som gør det muligt at studere mikroorganismerne og deres stofskifteaktivitet, uden at de skal dyrkes i laboratoriet.

Det er endda muligt nu at udføre disse studier på enkelte celler.

 

Omdannelse kan anvendes som et molekylært ur

De beregnede lange generationstider er i
 stærk kontrast til vores erfaring med hurtigt voksende bakterier, og de kan direkte virke 
usandsynlige. Forskerne har derfor søgt efter
nye metoder, som kan anvendes til at kontrollere tallene.

Der er for nylig udviklet en 
ny og helt uafhængig metode til at bestemme
omsætningstiden af bakterierne i den dybe
havbund. Metoden er baseret på den lang
somme, spontane omdannelse, der foregår 
imellem de to spejlbilledformer, som ami
nosyrer kan danne.

Nedbrydning af organisk materiale, som med tiden begraves i forskellige dybder i havbunden. I overfladen lever organismer, som respirerer med ilt, men den iltholdige verden strækker sig kun få cm til dm ned i havbunden. Derunder findes bakterier, som respirerer med sulfat (SO42-) og derved danner svovlbrinte (H2S). Længst nede, hvor også sulfat er sluppet op, lever arkæer, som omdanner det organiske materiale til metan (CH4). Jo dybere ned i havbunden, man kommer, jo langsommere går processerne. Men mikroorganismerne går aldrig helt i stå.

Da aminosyrerne udgør 
de grundlæggende byggeblokke i cellernes
proteiner, kan deres omdannelse anvendes
 som et molekylært ur, som røber proteiner
nes alder. Resultatet er det samme som før.
 Omsætningstiden, dvs. generationstiden, er
 100-1.000 år.

 

En verden i dvale?

De kontroversielle beregninger inviterer naturligvis til at søge efter alternative forklaringer af de lange generationstider. En mulig forklaring kunne være, at langt de fleste celler i virkeligheden er i en dvaletilstand og for eksempel overlever i lange perioder som bakteriesporer, hvis stofskifte er ekstremt lavt.

Det ville så betyde, at kun en brøkdel af cellerne er aktive, og at disse aktive celler dermed har angt mere energi til rådighed og teoretisk set kan fungere på samme måde som laboratoriekulturer i sulttilstand.

Op til halvdelen af cellerne i den dybe biosfære forekommer faktisk som inaktive sporer. De er imidlertid slet ikke medtaget i regnestykket ovenfor. Det er endnu ukendt, om de øvrige celler i den dybe biosfære er i dvale, og hvordan en sådan dvaletilstand skulle fungere.

Man kan intuitivt forvente, at dvale vil føre til cellernes død snarere end at føre til deres overlevelse.

 

Celler i dvale mister deres konkurrenceevne

Dvale giver kun mening som overlevelsesstrategi, hvis organismerne kan vågne op til en bedre verden – som et dyr, der går i hi for vinteren og vågner op til foråret, når der igen er føde.

For mikroorganismerne kan en bedre verden betyde frisk organisk materiale og mere energi . Men i den dybe biosfære er miljøet ekstremt stabilt over millioner af år, og vækstbetingelserne bliver kun langsomt dårligere, efterhånden som det organiske materiale, de lever af, bliver ældre.

Celler i dvale vil miste konkurrenceevne, når de vågner op igen, fordi de skal bruge ekstra energi på at reparere uundgåelige skader, som er sket i løbet af dvaleperioden. Det gælder ændringer af de proteiner, som skal udføre vigtige biokemiske processer, eller DNA, som skal afkodes, så cellens basale funktioner kan styres og opretholdes.

Det kræver energi at bygge disse makromolekyler op igen med den nødvendige, store reproducerbarhed, som er en forudsætning for, at de fungerer.

 

Alternative energikilder

Som et alternativ til dvaletilstand kunne man forestille sig, at der i undergrunden findes energikilder, som forskerne endnu ikke har opdaget, og som kan bidrage til at opretholde de store mikrobielle samfund. Der findes faktisk forskellige alternative energiformer.

En af dem opstår i de geologisk aktive områder af havbunden, især langs de midtoceaniske bjergrygge, hvor friske bjergarter fra dybet reagerer med havvand under høje temperaturer. Her foregår kemiske processer, som kan levere energi til de lokale samfund af bakterier og arkæer.

Brint er en af de vigtigste energikilder, men der dannes også store mængder metan og svovlbrinte, som andre mikroorganismer udnytter, når de trænger op i den iltholdige verden igennem varme kildevæld på oceanbunden. Stofferne bliver derved iltet til henholdsvis vand, kuldioxid eller sulfat.

Det gennemsnitlige stofskifte i bakterier fra forskellige naturlige miljøer med forskellige temperaturer. Blå cirkler: bakterier i søer og havvand. Røde cirkler: bakterier dybt nede i havbunden. Venstre skala angiver bakteriestofskiftet beregnet som gram kulstof omsat pr. gram celle-kulstof pr. time. Højre skala angiver omsætningstiden for bakteriernes biomasse. Det svarer omtrent til bakteriernes generationstid. (Diagram: fra Jørgensen og Toftdal, Aktuel Naturvidenskab 2011)

Mange af de specielle mikroorganismer er tilpasset et liv uafhængigt af organisk materiale som føde. De kan i stedet – som planterne – omdanne kuldioxid fra omgivelserne til organisk kulstof og derved danne nyt organisk stof til havbundens fødekæder.

 

Ormen behøves ikke fast føde

Nogle af de mest interessante dyresamfund ved de varme kildevæld består af store orme, muslinger eller krebsdyr, som igennem evolutionen har udviklet en symbiose med disse specielle bakterier og nu som vært dyrker dem i deres kropsvæv.

Dyrene sørger for med deres gæller at optage rigelige mængder af for eksempel ilt, kuldioxid og svovlbrinte, som transporteres med blodstrømmen til de væv, hvor bakterierne lever. Med den tilførte energi kan bakterierne så binde kuldioxid 
og danne organisk stof, der i opløst form kommer tilbage i blodstrømmen og udgør værtens føde.

Ormen eller muslingen behøver dermed ikke fast føde og har hverken udviklet mund eller tarmsystem. Trods deres tilsyneladende eksotiske levevis udgør de store orme og muslinger, som lever omkring dybhavets kildevæld, nogle af de rigeste dyresamfund i oceanet med hensyn til tætheden af biomasse og organisk stofproduktion.

 

Radiolyse forsyner den dybe biosfære med ekstra energi

En anden alternativ energikilde dybt nede i havbunden er, paradoksalt nok, den naturlige radioaktive stråling. Overalt på kontinenterne og i havbunden findes radioaktive isotoper som en del af de grundstoffer, Jorden består af. Det drejer sig især om isotoperne kalium-40, thorium-232 og uran-238.

Kalium-40 er den hyppigst forekommende i jordskorpen. Den udsender både beta- og gammastråling, og i et voksent menneskes krop er der nok kalium-40 til, at der foregår 4.000 enkelte radioaktive henfald i sekundet. Denne radioaktive stråling har ikke blot en mulig skadelig virkning på de biologiske molekyler.

Den har også den egenskab, at den spalter vandmolekyler i en proces, som kaldes radiolyse. Produktet af radiolyse er fri brint og forskellige iltholdige molekyler. Brint er ikke kun et fremragende drivmiddel for biler, men også en fremragende energikilde for en lang række mikroorganismer, som omdanner den tilbage til vand.

Radiolyse forsyner altså den dybe biosfære med ekstra energi, omend de seneste beregninger viser, at det i de fleste miljøer kun er et meget lille bidrag i forhold til den energi, der stadig kan udvindes af det begravede organiske materiale.

 

En skjult verden af global betydning

Den dybe biosfære har ikke kun interesse
for mikrobiologer og geokemikere. Den påvirker nemlig også vores egne omgivelser som et styrende element for Jordens klima og stofkredsløb.

Denne styring sker over lange tidsskalaer – meget længere end det tidsperspektiv, som er relevant for menneskeskabte klimaændringer. Processer i den dybe biosfære griber ind i atmosfærens sammensætning, som er en forudsætning for, at vores planet er beboelig.

Jordens atmosfære består blandt andet af 78 % kvælstof, 21 % ilt, 1 % argon, 0,039 % kuldioxid og 0,0002 % metan. Ilten dannes ved planternes fotosyntese og forbruges igen af alle de mange organismer, som respirerer med ilt. På formel ser det sådan ud:

Kuldioxid + vand <=> organisk stof + ilt (eller CO2 + H2O <=> [CH2O] + O2)

 

Det ældgamle organiske materiale tjener som føde for biosfæren

I laboratoriet isoleres enkelte bakterieceller fra havbunden ved hjælp af laser-mikrodissektions-mikroskopi (LMD). Mikroskopet viser bakterier fra havbunden, hvis DNA er farvet med et fluorescerende farvestof. Med nye metoder kan mikrobiologer nu identificere og studere de enkelte celler – uden at de skal kunne dyrkes i laboratoriet. Det er dog stadig ikke muligt at se, om nogle af cellerne er i dvaletilstand med stærkt nedsat stofskifte, mens andre er aktive. (Foto: Karen Lloyd)

Fotosyntesen driver processen til højre, respirationen driver den til venstre.

Det er en simpel balance, som kun giver et overskud af ilt, hvis der er et overskud af organisk stof. Det samlede iltindhold i jordens atmosfære er enormt, 1015 ton, mens mængden af organisk stof i dyr og planter og havets alger kun udgør en forsvindende lille brøkdel af denne mængde: cirka 0,1 %.

Det meste af de resterende 99,9 % organisk stof er gemt i undergrunden, især i den dybe havbund, hvor dette ældgamle organiske materiale tjener som føde for den dybe biosfære. Mikroorganismerne nede i havbunden arbejder konstant på at nedbryde det begravede organiske stof og omdanne det tilbage til kuldioxid. De udgør derfor et vigtigt led i de globale processer, som regulerer iltindholdet i atmosfæren.

 

Gashydrat er meget ustabil

I de dybere havbundslag, hvor der ikke længere er mulighed for respiration, omdanner mikroorganismerne langsomt det organiske stof til metan. Metanen kan ophobes i havbunden, især på kontinentalsoklen, hvor der begraves tilstrækkelig meget organisk materiale og samtidig hersker højt tryk og lav temperatur.

Her kan metan- og vandmolekyler tilsammen danne en fast, hvid masse, som kaldes gashydrat. Den minder om is, selvom den findes ved temperaturer over nul grader. Der findes enorme mængder gashydrat lagret i havbunden, og gashydrater indeholder i alt mere energi end de kendte oliereserver, som er tilbage i dag.

Det har dog vist sig, at gashydrat er meget ustabil og opløses ved selv ringe stigninger i temperaturen. Når det sker, kan metangassen trænge ud af havbunden og videre op igennem vandsøjlen og op i atmosfæren. Metan er en kraftig drivhusgas, og et øget metanindhold i atmosfæren kan bidrage til den globale opvarmning.

Således har analyser af dybe iskerner og havbundskerner vist, at fortidens pludselige klimaopvarmninger var ledsaget af en lige så pludselig stigning 
i atmosfærens metanindhold. I de seneste 
år har havforskere opdaget en omfattende udgasning af metan i Det Arktiske Ocean nord for Sibirien, hvor jordens største kontinentalsokkel ligger.

Det kan være et resultat af den igangværende klimaopvarmning, som især påvirker de lavvandede arktiske havområder. Den fremtidige klimaeffekt af dette naturlige tilskud af drivhusgas er endnu vanskelig at beregne.

 

Arkæer kan måske udnyttes i fremtiden

Den dybe biosfære er en vigtig og spændende del af Jordens økosystem. Den er en nyopdaget verden beboet af hidtil ukendte, mikroskopiske væsener, som lever under betingelser, vi ikke kan forklare. Mange af mikroorganismerne er arkæer, som ikke er beslægtet med organismer, som videnskaben har studeret i laboratoriet.

Vi kender kun de genetiske koder i deres DNA. Måske har disse arkæer enzymer og katalytiske evner, som kan udnyttes teknologisk i fremtiden. Måske kan de udføre processer, som vi endnu ikke har forestillet os. De forekommer i enorme antal, og de bebor det største sammenhængende økosystem på vores planet.

Det er vigtigt, at vi lærer, hvordan de griber ind i Jordens stofkredsløb og kemiske balancer. Det kræver udvikling af nye molekylære teknikker og nye måleinstrumenter, og det kræver boretogter i havområder, hvor naturen i fortiden har gennemført store eksperimenter med havmiljøet og klimaet. 

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs om Evidensbarometeret, som Videnskab.dk lige har lanceret.