Es mag so scheinen, als ob wir alle auf festem Boden stünden. Aber das stimmt nicht. Die Felsen und der Boden unter uns sind von winzigen kleinen Spalten und Hohlräumen durchzogen. Und diese Hohlräume sind mit Unmengen an Mikroben gefüllt, wie zum Beispiel diesen. Die größte Tiefe, in der wir Mikroben in der Erde gefunden haben, beträgt fünf Kilometer. Wenn man also direkt nach unten in den Boden losrennen würde, könnte man 5 km weit laufen und Mikroben würden den ganzen Weg säumen.
It may seem like we're all standing on solid earth right now, but we're not. The rocks and the dirt underneath us are crisscrossed by tiny little fractures and empty spaces. And these empty spaces are filled with astronomical quantities of microbes, such as these ones. The deepest that we found microbes so far into the earth is five kilometers down. So like, if you pointed yourself at the ground and took off running into the ground, you could run an entire 5K race and microbes would line your whole path.
Sie haben vielleicht noch nie an diese Mikroben gedacht, die sich tief unten in der Erdkruste befinden, aber Sie kennen vielleicht die Mikroben in unserem Darm. Rechnet man die Darmmikrobiome aller Menschen und aller Tiere auf dem Planeten zusammen, wiegen sie insgesamt etwa 100 000 Tonnen. Das ist ein riesiges Biom, das wir jeden Tag in unseren Bäuchen tragen. Wir sollten stolz darauf sein.
So you may not have ever thought about these microbes that are deep inside earth's crust, but you probably thought about the microbes living in our guts. If you add up the gut microbiomes of all the people and all the animals on the planet, collectively, this weighs about 100,000 tons. This is a huge biome that we carry in our bellies every single day. We should all be proud.
(Lachen)
(Laughter)
Aber es verblasst im Vergleich zur Anzahl an Mikroben, die die gesamte Erdoberfläche bedecken, etwa in Böden, Flüssen und den Ozeanen. Zusammen wiegen diese etwa zwei Milliarden Tonnen. Die Mehrheit der Mikroben auf der Erde befindet sich jedoch nicht in Ozeanen, dem Darm oder in Kläranlagen. Die meisten sind sich nämlich in der Erdkruste. Insgesamt wiegen sie 40 Milliarden Tonnen. Dies ist eines der größten Biome der Erde und vor ein paar Jahrzehnten ahnten wir noch nichts von seiner Existenz. Die Lebensmöglichkeiten dort unten -- oder der mögliche Nutzen für Menschen -- sind also grenzenlos.
But it pales in comparison to the number of microbes that are covering the entire surface of the earth, like in our soils, our rivers and our oceans. Collectively, these weigh about two billion tons. But it turns out that the majority of microbes on earth aren't even in oceans or our guts or sewage treatment plants. Most of them are actually inside the earth's crust. So collectively, these weigh 40 billion tons. This is one of the biggest biomes on the planet, and we didn't even know it existed until a few decades ago. So the possibilities for what life is like down there, or what it might do for humans, are limitless.
Diese Karte zeigt einen roten Punkt für jeden Ort, an dem wir mit modernen mikrobiologischen Methoden Proben entnommen haben. Vielleicht beeindruckt Sie die ansehnliche globale Abdeckung, aber verglichen mit dem Rest der Welt sieht es ganz schön düster aus. Wenn wir alle aus einem außerirdischen Raumschiff versuchen müssten, eine Weltkarte nur aus diesen Proben zu rekonstruieren, würden wir das nie schaffen.
This is a map showing a red dot for every place where we've gotten pretty good deep subsurface samples with modern microbiological methods, and you may be impressed that we're getting a pretty good global coverage, but actually, if you remember that these are the only places that we have samples from, it looks a little worse. If we were all in an alien spaceship, trying to reconstruct a map of the globe from only these samples, we'd never be able to do it.
Also sagen die Leute manchmal zu mir: „Klar, es gibt eine Menge Mikroben im Untergrund, aber ... sind die nicht einfach nur inaktiv?“ Das ist ein guter Punkt. Im Vergleich zu einer Feige, den Masern oder Meerschweinchen machen diese Mikroben wahrscheinlich überhaupt nichts. Dass sie langsam sein müssen, wissen wir, weil es so viele von ihnen gibt. Würden sie sich alle so schnell wie E. coli teilen, dann würden sie das Gesamtgewicht der Erde -- inklusive Gestein -- in einer einzigen Nacht verdoppeln. Tatsächlich haben viele von ihnen seit dem alten Ägypten wahrscheinlich keine einzige Zellteilung durchlaufen. Das ist einfach verrückt. Wie stellt man sich solch langlebige Organismen vor?
So people sometimes say to me, "Yeah, there's a lot of microbes in the subsurface, but ... aren't they just kind of dormant?" This is a good point. Relative to a ficus plant or the measles or my kid's guinea pigs, these microbes probably aren't doing much of anything at all. We know that they have to be slow, because there's so many of them. If they all started dividing at the rate of E. coli, then they would double the entire weight of the earth, rocks included, over a single night. In fact, many of them probably haven't even undergone a single cell division since the time of ancient Egypt. Which is just crazy. Like, how do you wrap your head around things that are so long-lived?
Ich habe mir eine Analogie ausgedacht, die mir wirklich gefällt, sie ist jedoch seltsam und kompliziert. Ich hoffe, dass Sie mir folgen können. Alles klar, versuchen wir es. Es ist wie den Lebenszyklus eines Baumes zu verstehen, wenn man nur einen Tag lang lebt. Wenn also die menschliche Lebensdauer nur ein Tag wäre und wir im Winter lebten, dann würde man sein ganzes Leben lang keinen Baum mit Blättern sehen. Und es würden viele Generationen nur den Winter erleben,
But I thought of an analogy that I really love, but it's weird and it's complicated. So I hope that you can all go there with me. Alright, let's try it. It's like trying to figure out the life cycle of a tree ... if you only lived for a day. So like if human life span was only a day, and we lived in winter, then you would go your entire life without ever seeing a tree with a leaf on it. And there would be so many human generations that would pass by within a single winter
sodass nicht einmal ein Geschichtsbuch etwas anderes wüsste, als dass Bäume nur leblose Stöcke sind. Sie seien inaktiv. Natürlich ist das lächerlich. Wir wissen, dass Bäume auf den Sommer warten, um sich zu reaktivieren. Aber wenn die menschliche Lebensdauer deutlich kürzer wäre als die von Bäumen, könnten wir diese offensichtliche Tatsache völlig übersehen.
that you may not even have access to a history book that says anything other than the fact that trees are always lifeless sticks that don't do anything. Of course, this is ridiculous. We know that trees are just waiting for summer so they can reactivate. But if the human life span were significantly shorter than that of trees, we might be completely oblivious to this totally mundane fact.
Wenn wir also sagen, dass diese unterirdischen Mikroben inaktiv sind, sind wir wie die Eintagsfliegen, die Bäume verstehen wollen? Was, wenn diese Organismen in der Tiefe nur auf ihre Version von Sommer warten, aber unser Leben zu kurz ist, um das zu erkennen? Wenn man E. coli nimmt und in einem Reagenzglas ohne Nahrung oder Nährstoffe versiegelt und es für Monate oder Jahre stehenlässt, verhungern die meisten Zellen und sterben. Aber einige der Zellen überleben. Wenn nun diese überlebenden Zellen mit einer frischen Kultur von E. coli unter Nahrungsmangel konkurrieren, schlagen die zähen, erfahrenen Kerle die Jungspunde jedes Mal. Dies ist also ein Beweis dafür, dass es sich wirklich auszahlt, wenn man außergewöhnlich langsam ist. Also ist es vielleicht so, dass wir langsam und unwichtig nicht gleichsetzen sollten? Können diese unbeachteten Mikroben vielleicht der Menschheit hilfreich sein?
So when we say that these deep subsurface microbes are just dormant, are we like people who die after a day, trying to figure out how trees work? What if these deep subsurface organisms are just waiting for their version of summer, but our lives are too short for us to see it? If you take E. coli and seal it up in a test tube, with no food or nutrients, and leave it there for months to years, most of the cells die off, of course, because they're starving. But a few of the cells survive. If you take these old surviving cells and compete them, also under starvation conditions, against a new, fast-growing culture of E. coli, the grizzled old tough guys beat out the squeaky clean upstarts every single time. So this is evidence there's actually an evolutionary payoff to being extraordinarily slow. So it's possible that maybe we should not equate being slow with being unimportant. Maybe these out-of-sight, out-of-mind microbes could actually be helpful to humanity.
Soweit wir wissen, gibt es zwei Möglichkeiten, unterirdisch zu überleben. Erstens: auf Nahrungsreste von der Oberfläche warten, wie den Überbleibseln eines Picknicks von vor 1.000 Jahren. Das ist eine verrückte Lebensweise, aber schockierenderweise funktioniert sie für viele Mikroben auf der Erde. Die andere Möglichkeit ist, dass eine Mikrobe einfach sagt: „Nein, ich brauche die Welt dort oben nicht. Mir geht es hier unten gut.“ Solche Mikroben müssen alles Lebenswichtige aus dem Inneren der Erde holen. Einige Dinge sind dort tatsächlich einfacher zu bekommen. Sie kommen in der Erdkruste häufiger vor, wie Wasser oder Nährstoffe wie Stickstoff, Eisen und Phosphor -- oder Lebensraum. Um diese Dinge führen wir hier oben Krieg.
OK, so as far as we know, there are two ways to do subsurface living. The first is to wait for food to trickle down from the surface world, like trying to eat the leftovers of a picnic that happened 1,000 years ago. Which is a crazy way to live, but shockingly seems to work out for a lot of microbes in earth. The other possibility is for a microbe to just say, "Nah, I don't need the surface world. I'm good down here." For microbes that go this route, they have to get everything that they need in order to survive from inside the earth. Some things are actually easier for them to get. They're more abundant inside the earth, like water or nutrients, like nitrogen and iron and phosphorus, or places to live. These are things that we literally kill each other to get ahold of up at the surface world.
Aber im Untergrund ist das Problem, genügend Energie zu finden. An der Luft können Pflanzen CO₂ chemisch zu leckeren Zuckern verknüpfen, sobald die Photonen der Sonne ihre Blätter treffen. Aber im Untergrund gibt es natürlich kein Sonnenlicht, also muss das Ökosystem jemanden finden, der Nahrung für alle anderen herstellt. Der Untergrund benötigt etwas, das wie eine Pflanze ist, aber Gestein atmet. Glücklicherweise existiert so etwas und es heißt Chemolithoautotroph.
But in the subsurface, the problem is finding enough energy. Up at the surface, plants can chemically knit together carbon dioxide molecules into yummy sugars as fast as the sun's photons hit their leaves. But in the subsurface, of course, there's no sunlight, so this ecosystem has to solve the problem of who is going to make the food for everybody else. The subsurface needs something that's like a plant but it breathes rocks. Luckily, such a thing exists, and it's called a chemolithoautotroph.
(Lachen)
(Laughter)
Diese Mikrobe nutzt Chemikalien (Chemo) aus Gestein (Litho) um Nahrung herzustellen (Autotroph). Sie können dafür viele Elemente verwenden. Zum Einsatz kommen Schwefel, Eisen, Mangan, Stickstoff, Kohlenstoff und einige nutzen bloße Elektronen. Wenn man das Ende eines Stromkabels nimmt, können sie wie mit einem Schnorchel atmen.
Which is a microbe that uses chemicals -- "chemo," from rocks -- "litho," to make food -- "autotroph." And they can do this with a ton of different elements. They can do this with sulphur, iron, manganese, nitrogen, carbon, some of them can use pure electrons, straight up. Like, if you cut the end off of an electrical cord, they could breathe it like a snorkel.
(Laughter)
Diese Chemolithoautotrophe nehmen die aus diesen Prozessen gewonnene Energie, und nutzen sie zur Herstellung von Nahrung, wie es Pflanzen tun. Aber Pflanzen stellen ja nicht nur Nahrung her. Sie bilden auch Sauerstoff als Abfallprodukt, von dem wir zu 100 % abhängig sind. Aber das Abfallprodukt der Chemolithoautotrophen sind oft Mineralien wie Rost oder Pyrit (Katzengold) oder Carbonate wie Kalkstein. Wir haben also Mikroben, die so langsam wie Gestein sind, die ihre Energie aus Gestein beziehen und als Abfallprodukt anderes Gestein bilden. Spreche ich also noch von Biologie oder bereits von Geologie? Hier verschwimmen die Grenzen.
These chemolithoautotrophs take the energy that they get from these processes and use it to make food, like plants do. But we know that plants do more than just make food. They also make a waste product, oxygen, which we are 100 percent dependent upon. But the waste product that these chemolithoautotrophs make is often in the form of minerals, like rust or pyrite, like fool's gold, or carminites, like limestone. So what we have are microbes that are really, really slow, like rocks, that get their energy from rocks, that make as their waste product other rocks. So am I talking about biology, or am I talking about geology? This stuff really blurs the lines.
(Lachen)
(Laughter)
Wenn ich mich also diesem Thema widme und eine Biologin bin, die Mikroben studiert, welche sich wie Gestein verhalten, dann sollte ich wohl anfangen Geologie zu studieren. Und was ist das Beste an Geologie? Vulkane.
So if I'm going to do this thing, and I'm going to be a biologist who studies microbes that kind of act like rocks, then I should probably start studying geology. And what's the coolest part of geology? Volcanoes.
(Laughter)
Dies ist ein Blick in den Krater des Vulkans Poás in Costa Rica. Viele Vulkane auf der Erde entstehen, weil eine ozeanische Platte gegen eine kontinentale Platte prallt. Wenn diese ozeanische Platte subduziert, also unter die Kontinentalplatte geschoben wird, werden Wasser, Kohlenstoffdioxid und Materialien aus ihr herausgedrückt wie beim Auswringen eines nassen Handtuchs. So gesehen sind Subduktionszonen wie Portale in die tiefe Erde, an denen Material zwischen Oberfläche und Untergrund ausgetauscht wird.
This is looking inside the crater of Poás Volcano in Costa Rica. Many volcanoes on earth arise because an oceanic tectonic plate crashes into a continental plate. As this oceanic plate subducts or gets moved underneath this continental plate, things like water and carbon dioxide and other materials get squeezed out of it, like ringing a wet washcloth. So in this way, subduction zones are like portals into the deep earth, where materials are exchanged between the surface and the subsurface world.
Ich wurde kürzlich von einigen meiner Kollegen in Costa Rica eingeladen, um mit ihnen an ein paar der Vulkane zu arbeiten. Und natürlich habe ich ja gesagt, weil Costa Rica einfach schön ist, aber auch, weil es auf einer dieser Subduktionszonen liegt. Wir wollten die sehr konkrete Frage stellen: Warum kommt das Kohlenstoffdioxid aus untergeschobenen ozeanischen Platten nur aus den Vulkanen? Warum ist es nicht über die gesamte Subduktionszone verteilt? Hat das mit den Mikroben zu tun?
So I was recently invited by some of my colleagues in Costa Rica to come and work with them on some of the volcanoes. And of course I said yes, because, I mean, Costa Rica is beautiful, but also because it sits on top of one of these subduction zones. We wanted to ask the very specific question: Why is it that the carbon dioxide that comes out of this deeply buried oceanic tectonic plate is only coming out of the volcanoes? Why don't we see it distributed throughout the entire subduction zone? Do the microbes have something to do with that?
Das ist also ein Bild von mir im Vulkan Poás, zusammen mit meinem Kollegen Donato Giovannelli. Der See, neben dem wir stehen, besteht aus reiner Batteriesäure. Ich weiß das, weil wir den pH-Wert genau dort gemessen haben. Während wir im Krater arbeiteten, fragte ich meinen costa-ricanischen Kollegen Carlos Ramírez: „Wenn dieses Ding jetzt ausbricht, was ist unser Fluchtplan?“ Er antwortete: „Ganz einfach: Dreh dich um und genieße den Anblick.“
So this is a picture of me inside Poás Volcano, along with my colleague Donato Giovannelli. That lake that we're standing next to is made of pure battery acid. I know this because we were measuring the pH when this picture was taken. And at some point while we were working inside the crater, I turned to my Costa Rican colleague Carlos Ramírez and I said, "Alright, if this thing starts erupting right now, what's our exit strategy?" And he said, "Oh, yeah, great question, it's totally easy. Just turn around and enjoy the view."
(Lachen)
(Laughter)
„Es wird dein letzter sein.“
"Because it will be your last."
(Lachen)
(Laughter)
Es klingt vielleicht, als sei er übermäßig dramatisch gewesen, aber 54 Tage nachdem ich neben diesem See stand, geschah dies:
And it may sound like he was being overly dramatic, but 54 days after I was standing next to that lake, this happened.
Publikum: Oh!
Audience: Oh!
Verängstigend, oder?
Freaking terrifying, right?
(Laughs)
Das war der größte Ausbruch dieses Vulkans seit etwa 60 Jahren. Kurz nach dem Ende dieses Videos wurde die Kamera verätzt und der gesamte See, aus dem unsere Proben stammen, verdampft vollständig. Aber ich möchte auch klarstellen, dass ein Ausbruch am Tag der Expedition ziemlich unwahrscheinlich war, denn Costa Rica überwacht seine Vulkane sehr sorgfältig durch das OVSICORI-Institut. Ein Wissenschaftler dieses Instituts begleitete uns. Aber die Tatsache seiner Eruption zeigt, dass die Emission von CO₂ aus der ozeanischen Platte direkt bei den Vulkanen stattfindet.
This was the biggest eruption this volcano had had in 60-some-odd years, and not long after this video ends, the camera that was taking the video is obliterated and the entire lake that we had been sampling vaporizes completely. But I also want to be clear that we were pretty sure this was not going to happen on the day that we were actually in the volcano, because Costa Rica monitors its volcanoes very carefully through the OVSICORI Institute, and we had scientists from that institute with us on that day. But the fact that it erupted illustrates perfectly that if you want to look for where carbon dioxide gas is coming out of this oceanic plate, then you should look no further than the volcanoes themselves.
Aber wer Costa Rica kennt, weiß neben den Vulkanen auch von den unzähligen heißen Quellen. Ein Teil des Wassers in diesen heißen Quellen sprudelt tatsächlich aus der tief vergrabenen ozeanischen Platte. Wir nahmen an, dass Kohlenstoffdioxid dort ebenfalls heraussprudeln würde. Aber irgendetwas tief unter der Erde filterte es heraus.
But if you go to Costa Rica, you may notice that in addition to these volcanoes there are tons of cozy little hot springs all over the place. Some of the water in these hot springs is actually bubbling up from this deeply buried oceanic plate. And our hypothesis was that there should be carbon dioxide bubbling up with it, but something deep underground was filtering it out.
Also fuhren wir zwei Wochen durch ganz Costa Rica und untersuchten jede heiße Quelle -- es war wirklich schrecklich. Die folgenden zwei Jahre haben wir die Daten analysiert. Ich verrate Ihnen an dieser Stelle, dass die großen Entdeckungen weder an einer schönen heißen Quelle, noch auf einer Bühne kommen, sondern vor einem chaotischen Computer, bei Wartungsarbeiten komplexer Geräte oder bei Hilferufen an Kollegen, weil Sie über Ihren Daten verzweifeln. Wissenschaftliche Entdeckungen -- wie auch unterirdische Mikroben -- können sehr, sehr langsam sein.
So we spent two weeks driving all around Costa Rica, sampling every hot spring we could find -- it was awful, let me tell you. And then we spent the next two years measuring and analyzing data. And if you're not a scientist, I'll just let you know that the big discoveries don't really happen when you're at a beautiful hot spring or on a public stage; they happen when you're hunched over a messy computer or you're troubleshooting a difficult instrument, or you're Skyping your colleagues because you are completely confused about your data. Scientific discoveries, kind of like deep subsurface microbes, can be very, very slow.
Aber in unserem Fall hat es sich wirklich ausgezahlt. Wir entdeckten, dass buchstäblich Tonnen von Kohlenstoffdioxid aus der tief vergrabenen ozeanischen Platte austraten. Und das, was sie festhielt und von der Atmosphäre fernhielt, waren tief unter der Erde, unter all den bezaubernden Faultieren und Tukanen Costa Ricas, die Chemolithoautotrophen. Diese Mikroben und ihr Stoffwechsel wandeln Kohlenstoffdioxid in Carbonate um und fixieren es unterirdisch.
But in our case, this really paid off this one time. We discovered that literally tons of carbon dioxide were coming out of this deeply buried oceanic plate. And the thing that was keeping them underground and keeping it from being released out into the atmosphere was that deep underground, underneath all the adorable sloths and toucans of Costa Rica, were chemolithoautotrophs. These microbes and the chemical processes that were happening around them were converting this carbon dioxide into carbonate mineral and locking it up underground.
Da stellt sich die Frage: Wenn diese unterirdischen Prozesse so gut unterirdisches Kohlendioxid aufnehmen, könnten sie uns bei unserem CO₂-Problem an der Oberfläche helfen? Wir Menschen stoßen so viel CO₂ in unsere Atmosphäre aus, dass wir die Kapazität für Leben auf unserem Planeten verringern. Wissenschaftler, Ingenieure und Unternehmer versuchen, CO₂ aus diesen Punktquellen aufzufangen, damit es nicht in die Atmosphäre gelangt. Und sie müssen es irgendwo unterbringen. Aus diesem Grund müssen wir weiterhin Lagermöglichkeiten für CO₂ erforschen -- möglicherweise unterirdisch. Nur so können wir es sicher lagern.
Which makes you wonder: If these subsurface processes are so good at sucking up all the carbon dioxide coming from below them, could they also help us with a little carbon problem we've got going on up at the surface? Humans are releasing enough carbon dioxide into our atmosphere that we are decreasing the ability of our planet to support life as we know it. And scientists and engineers and entrepreneurs are working on methods to pull carbon dioxide out of these point sources, so that they're not released into the atmosphere. And they need to put it somewhere. So for this reason, we need to keep studying places where this carbon might be stored, possibly in the subsurface, to know what's going to happen to it when it goes there.
Sind die Untergrundmikroben ein Problem, weil sie zu langsam CO₂ aufnehmen? Oder werden sie hilfreich sein, indem sie das Gas in Mineral umwandeln? Wenn wir aus einer Studie in Costa Rica einen solchen Durchbruch erzielen, dann ist noch viel Potential vorhanden.
Will these deep subsurface microbes be a problem because they're too slow to actually keep anything down there? Or will they be helpful because they'll help convert this stuff to solid carbonate minerals? If we can make such a big breakthrough just from one study that we did in Costa Rica, then imagine what else is waiting to be discovered down there.
Dieses neue Gebiet der Geobiochemie oder Tiefenbiologie oder wie auch immer wird enorme Auswirkungen haben, nicht nur für den Klimawandel, sondern auch für das Verständnis der Entwicklung von Leben und Erde, sowie für industrielle oder medizinische Produkte. Vielleicht sogar um Erdbeben vorherzusagen oder außerirdisches Leben zu finden. Es könnte uns sogar helfen, den Ursprung des Lebens zu verstehen.
This new field of geo-bio-chemistry, or deep subsurface biology, or whatever you want to call it, is going to have huge implications, not just for mitigating climate change, but possibly for understanding how life and earth have coevolved, or finding new products that are useful for industrial or medical applications. Maybe even predicting earthquakes or finding life outside our planet. It could even help us understand the origin of life itself.
Glücklicherweise muss ich das nicht alleine machen. Ich habe erstaunliche Kollegen auf der ganzen Welt, die zu den Geheimnisse dieser unterirdischen Welt vordringen. Dieses tief vor uns vergrabene Leben erscheint vielleicht irrelevant. Aber in Wahrheit kann dieses seltsame, langsame Leben tatsächlich die Antworten auf einige der größten Geheimnisse des Lebens auf Erden bereithalten.
Fortunately, I don't have to do this by myself. I have amazing colleagues all over the world who are cracking into the mysteries of this deep subsurface world. And it may seem like life buried deep within the earth's crust is so far away from our daily experiences that it's kind of irrelevant. But the truth is that this weird, slow life may actually have the answers to some of the greatest mysteries of life on earth.
Danke.
Thank you.
(Applaus)
(Applause)