Onderzoekers ontdekken hoe warmte de koolstofbron voor het leven in de diepe Aarde ‘activeert’

Ontkoppeling van abiotische en biotische processen in verwarmde zeebodem.

Diep onder het oceaanoppervlak bevindt zich de grootste koolstofreservoir van de aarde: mariene sedimenten die gedurende miljoenen jaren organisch materiaal hebben verzameld. Lange tijd werd aangenomen dat deze enorme koolstofpool permanent “opgesloten” was, maar volgens een nieuwe internationale studie is deze koolstofbron veel dynamischer dan wetenschappers eerder dachten.

Een onderzoeksteam, mede geleid door prof. Wang Faming van de South China Botanical Garden van de Chinese Academie van Wetenschappen, samen met samenwerkende onderzoekers van de Universiteit van Bremen en Harvard University, heeft ontdekt dat warmte deze oude koolstof kan “wekken” en kan omzetten in een voedselbron voor microben die diep onder de zeebodem leven. Deze bevindingen, gepubliceerd in Science Advances, herschikken de wetenschappelijke kennis over leven in extreme omgevingen en de koolstofcyclus van de diepe aarde.

Mariene sedimenten die worden verwarmd tot boven de 40 °C maken bijna de helft uit van het mondiale volume mariene sedimenten. Tot nu toe waren de processen die het microbieel leven onder dergelijke hoge temperatuurcondities ondersteunen echter onduidelijk.

Eerder onderzoek heeft microbiele populaties gedocumenteerd die overleven in een geothermisch verwarmde sedimentlaag op ongeveer 1,2 kilometer diepte; echter, de bron van de energie-rijke substraten waarop deze microben vertrouwen was nog niet geïdentificeerd. Deze nieuwe studie vult die leemte op door de mechanismen te beschrijven die organisch materiaal aan deze verborgen ondergrondse ecosystemen leveren.

Voor hun onderzoek analyseerde het team sedimentmonsters van 7,8 miljoen jaar oud, verzameld uit het Shikoku-bekken in de Stille Oceaan. Met behulp van geavanceerde analysetechnieken ontwikkelden de onderzoekers een model dat illustreert hoe de interactie van biologische en abiotische (niet-levende) processen refractair organisch materiaal—materiaal dat bestand is tegen afbraak—transformeert in vormen die microben kunnen gebruiken.

Opmerkelijk is dat dit model werkt als een omgekeerde microbieel koolstofpomp—normaal gesproken een mechanisme dat koolstof stabiliseert aan het aardoppervlak—maar hier heractiveert de warmte koolstof die miljoenen jaren oud is, aldus prof. Gan Shuchai, de eerste auteur van de studie.

Bij 85 °C ontdekten de onderzoekers dat deze koolstofreactivatieprocessen versnellen, wat leidt tot de productie van eenvoudige verbindingen die microbieel leven voeden. Tegelijkertijd neigen biologische afbraakketens naar afbraak en nemen abiotische processen het over.

Deze processen herstructureren de gebruikelijke op organisch materiaal gebaseerde microbieel gemeenschappen die worden aangetroffen in anaerobe (zuurstofvrije) omgevingen en vergemakkelijken de laatste stappen van mineralisatie—het proces waarbij organische stoffen worden afgebroken tot anorganische vormen.

Hoewel slechts ongeveer 0,25% van de organische koolstof in deze sedimenten bio-beschikbaar wordt, maakt de sheer omvang van het reservoir dit tot een significante energiebron. De mariene sediment koolstofpool houdt naar schatting 15 miljoen gigaton (Gt) koolstof vast—vergeleken met 39.000 Gt in de gehele oceaanwaterkolom—en biedt voldoende energie om uitgebreide ondergrondse ecosystemen, bekend als de “diepe biosfeer,” te ondersteunen.

Deze studie onthult een belangrijk mechanisme van de koolstofcyclus van de diepe aarde en herdefinieert ons begrip van planetaire processen. Deze bevindingen lossen niet alleen een langdurige onzekerheid op over de energiebronnen die de diepe biosfeer in hoge-temperatuur mariene sedimenten ondersteunen, maar voegen ook een cruciale nieuwe dimensie toe aan modellen van de koolstofcyclus van de aarde.