Ich bin Meeres-Mikrobiologin an der Universität Tennessee und ich will Ihnen von Mikroben erzählen, die so merkwürdig und wunderbar sind, dass sie infrage stellen, was wir über das Leben auf der Erde zu wissen glauben.
I'm an ocean microbiologist at the University of Tennessee, and I want to tell you guys about some microbes that are so strange and wonderful that they're challenging our assumptions about what life is like on Earth.
Ich habe ein Frage an Sie. Bitte heben Sie die Hand, wenn Sie es cool fänden, in einem U-Boot zum Ozeanboden zu fahren. Ja! Die meisten von Ihnen, denn die Ozeane sind cool.
So I have a question. Please raise your hand if you've ever thought it would be cool to go to the bottom of the ocean in a submarine? Yes. Most of you, because the oceans are so cool.
Heben Sie jetzt bitte die Hand, wenn Sie nur deshalb zum Ozeanboden fahren wollen, weil Sie das ein bisschen näher zu dem aufregenden Schlamm da unten bringen würde.
Alright, now -- please raise your hand if the reason you raised your hand to go to the bottom of the ocean is because it would get you a little bit closer to that exciting mud that's down there.
(Gelächter)
(Laughter)
Niemand. Ich bin die einzige hier.
Nobody. I'm the only one in this room.
Ich denke ständig darüber nach. Ich überlege tagein, tagaus, wie tief wir in die Erde eindringen und noch etwas Lebendiges finden können, denn wir kennen immer noch nicht die Antwort auf die grundlegende Frage nach dem Leben auf der Erde.
Well, I think about this all the time. I spend most of my waking hours trying to determine how deep we can go into the Earth and still find something, anything, that's alive, because we still don't know the answer to this very basic question about life on Earth.
In den 1980ern war John Parkes, ein Forscher in Großbritannien, ähnlich besessen von dieser Frage und er hatte eine verrückte Idee. Er glaubte, es gebe eine riesige, tiefe, lebendige mikrobielle Biosphäre unter den Ozeanen der Welt, die hunderte von Metern in den Meeresboden hineinreicht, was cool ist, aber leider glaubte ihm niemand. Der Grund dafür ist, dass es wohl nichts Langweiligeres auf der Welt gibt als Ozeansedimente.
So in the 1980s, a scientist named John Parkes, in the UK, was similarly obsessed, and he came up with a crazy idea. He believed that there was a vast, deep, and living microbial biosphere underneath all the world's oceans that extends hundreds of meters into the seafloor, which is cool, but the only problem is that nobody believed him, and the reason that nobody believed him is that ocean sediments may be the most boring place on Earth.
(Gelächter)
(Laughter)
Es gibt da kein Sonnenlicht, keinen Sauerstoff, und, vielleicht am schlimmsten, keine frischen Nährstofflieferungen für buchstäblich Millionen von Jahren. Man muss kein Biologieprofessor sein, um zu wissen, dass das ein schlechter Ort für die Suche nach Leben ist.
There's no sunlight, there's no oxygen, and perhaps worst of all, there's no fresh food deliveries for literally millions of years. You don't have to have a PhD in biology to know that that is a bad place to go looking for life.
(Gelächter)
(Laughter)
Aber 2002 überzeugte [Steven D'Hondt] genügend Leute von der Sache, um eine Expedition auf dem Bohrschiff JOIDES Resolution zu bekommen. Er leitete sie zusammen mit Bo Barker Jørgensen aus Dänemark. Und so bekamen sie endlich makellose, unterirdische Sedimentproben ohne jegliche Kontamination durch Oberflächenmikroben. Dieses Bohrschiff kann tausende von Metern in den Ozeanboden hineinbohren, und der Schlamm wird nach und nach in Bohrkernen nach oben befördert, sehr lange Bohrkerne, die so aussehen. Wissenschaftler wie ich tragen sie über das Schiff; wir bearbeiten sie auf den Schiffen und schicken sie in unsere Labore für weitere Untersuchungen.
But in 2002, [Steven D'Hondt] had convinced enough people that he was on to something that he actually got an expedition on this drillship, called the JOIDES Resolution. And he ran it along with Bo Barker Jørgensen of Denmark. And so they were finally able to get good pristine deep subsurface samples some really without contamination from surface microbes. This drill ship is capable of drilling thousands of meters underneath the ocean, and the mud comes up in sequential cores, one after the other -- long, long cores that look like this. This is being carried by scientists such as myself who go on these ships, and we process the cores on the ships and then we send them home to our home laboratories for further study.
Als John und seine Kollegen die ersten, kostbaren Tiefseeproben erhielten, untersuchten sie sie mit dem Mikroskop, und sie sahen Bilder ziemlich genau wie dieses, das von einer jüngeren Expedition meiner Doktorandin Joy Buongiorno stammt. Sie sehen das trübe Zeug im Hintergrund. Das ist Schlamm. Tiefsee-Ozeanschlamm. Die hellgrünen Punkte, gefärbt mit grün fluoreszierender Farbe, sind echte, lebende Mikroben.
So when John and his colleagues got these first precious deep-sea pristine samples, they put them under the microscope, and they saw images that looked pretty much like this, which is actually taken from a more recent expedition by my PhD student, Joy Buongiorno. You can see the hazy stuff in the background. That's mud. That's deep-sea ocean mud, and the bright green dots stained with the green fluorescent dye are real, living microbes.
Jetzt muss ich Ihnen etwas sehr Tragisches über Mikroben erzählen. Unter dem Mikroskop sehen alle gleich aus, jedenfalls auf den ersten Blick. Man kann die faszinierendsten Organismen der Welt nehmen -- etwa eine Mikrobe, die buchstäblich Uran atmet, und eine, die Raketentreibstoff erzeugt -- sie mit Ozeanschlamm mischen, unter ein Mikroskop legen, und man sieht nur kleine Punkte. Es ist wirklich ärgerlich. Wir können sie also nicht am Aussehen unterscheiden. Wir müssen DNA wie einen Fingerabdruck nutzen, um zu sagen, wer wer ist.
Now I've got to tell you something really tragic about microbes. They all look the same under a microscope, I mean, to a first approximation. You can take the most fascinating organisms in the world, like a microbe that literally breathes uranium, and another one that makes rocket fuel, mix them up with some ocean mud, put them underneath a microscope, and they're just little dots. It's really annoying. So we can't use their looks to tell them apart. We have to use DNA, like a fingerprint, to say who is who.
Jetzt bringe ich Ihnen bei, wie das geht. Ich zeige Ihnen Daten, die ich mir ausgedacht habe. Das soll veranschaulichen, wie es aussähe, wenn einige Arten überhaupt nicht miteinander verwandt wären. Wie Sie sehen, hat jede Art ihre eigenen Kombinationen von A, G, C und T, den vier Untereinheiten von DNA, willkürlich zusammengewürfelt, und keine zwei sehen gleich aus. Diese Arten sind absolut nicht miteinander verwandt. Aber so sieht echte DNA von einem Gen aus, das diese Arten miteinander teilen. Alles bildet eine fast perfekte Linie. Die Wahrscheinlichkeit so vieler vertikaler Säulen, in denen rein zufällig jede Art ein C oder jede Art ein T hat, ist unendlich klein. Also müssen all diese Arten einen gemeinsamen Vorfahren gehabt haben. Sie sind alle miteinander verwandt.
And I'll teach you guys how to do it right now. So I made up some data, and I'm going to show you some data that are not real. This is to illustrate what it would look like if a bunch of species were not related to each other at all. So you can see each species has a list of combinations of A, G, C and T, which are the four sub-units of DNA, sort of randomly jumbled, and nothing looks like anything else, and these species are totally unrelated to each other. But this is what real DNA looks like, from a gene that these species happen to share. Everything lines up nearly perfectly. The chances of getting so many of those vertical columns where every species has a C or every species has a T, by random chance, are infinitesimal. So we know that all those species had to have had a common ancestor. They're all relatives of each other.
Jetzt sage ich Ihnen, wer sie sind. Die beiden oberen sind wir und Schimpansen. die verwandt sind, aber das wussten Sie natürlich. Ist ja offensichtlich.
So now I'll tell you who they are. The top two are us and chimpanzees, which y'all already knew were related, because, I mean, obviously. (Laughter)
(Gelächter)
Aber wir sind auch verwandt mit uns unähnlichen Dingen wie Kiefern und der Magendarmkrankheit Giardia, die man bekommen kann, wenn man beim Wandern sein Trinkwasser nicht filtert. Wir sind auch verwandt mit dem Kolibakterium und mit Clostridioides difficile, einem schrecklichen Erreger, der viele Menschen tötet. Aber es gibt natürlich auch gute Mikroben wie Dehalococcoides ethenogenes, die unseren Industriemüll aufräumen. Wenn ich also diese DNA-Sequenzen nutze, um mit ihren Übereinstimmungen und Unterschieden einen Familienstammbaum von uns allen zu machen, der zeigt, wer eng verwandt ist, dann sieht das so aus. Man sieht auf den ersten Blick, dass wir Menschen, Giardia, Kaninchen und Kiefern alle wie Geschwister sind, während Bakterien unseren entfernten Cousins entsprechen. Aber wir sind mit jedem Lebewesen auf der Erde verwandt. In meinem Job darf ich tagtäglich wissenschaftliche Beweise gegen existentielle Einsamkeit erbringen.
But we're also related to things that we don't look like, like pine trees and Giardia, which is that gastrointestinal disease you can get if you don't filter your water while you're hiking. We're also related to bacteria like E. coli and Clostridium difficile, which is a horrible, opportunistic pathogen that kills lots of people. But there's of course good microbes too, like Dehalococcoides ethenogenes, which cleans up our industrial waste for us. So if I take these DNA sequences, and then I use them, the similarities and differences between them, to make a family tree for all of us so you can see who is closely related, then this is what it looks like. So you can see clearly, at a glance, that things like us and Giardia and bunnies and pine trees are all, like, siblings, and then the bacteria are like our ancient cousins. But we're kin to every living thing on Earth. So in my job, on a daily basis, I get to produce scientific evidence against existential loneliness.
Als wir vom ersten Bohrschiff die ersten DNA-Sequenzen von den makellosen Proben aus dem Ozeanboden erhielten, wollten wir wissen, wo sie waren. Als erstes entdeckten wir, dass sie keine Aliens waren, denn ihre DNA bildet eine Linie mit allem anderen auf der Erde. Aber sehen Sie sich ihren Platz auf unserem Lebensbaum an. Als erstes erkennen Sie, dass es viele von ihnen gibt. Das war nicht nur eine kleine Art, die an diesem grausigen Ort überlebt hat. Es sind eher sehr viele. Zweitens merken Sie hoffentlich, dass sie anders sind als alles, was wir je gesehen haben. Sie unterscheiden sich voneinander genauso sehr wie von allem, was wir schon kennen -- so wie wir von Kiefern. Also hatte John Parkes völlig Recht. Er, und wir, hatten ein völlig neues und höchst diverses, mikrobielles Ökosystem auf der Erde entdeckt, von dessen Existenz vor 1980 niemand auch nur eine Ahnung hatte.
So when we got these first DNA sequences, from the first cruise, of pristine samples from the deep subsurface, we wanted to know where they were. So the first thing that we discovered is that they were not aliens, because we could get their DNA to line up with everything else on Earth. But now check out where they go on our tree of life. The first thing you'll notice is that there's a lot of them. It wasn't just one little species that managed to live in this horrible place. It's kind of a lot of things. And the second thing that you'll notice, hopefully, is that they're not like anything we've ever seen before. They are as different from each other as they are from anything that we've known before as we are from pine trees. So John Parkes was completely correct. He, and we, had discovered a completely new and highly diverse microbial ecosystem on Earth that no one even knew existed before the 1980s.
Jetzt waren wir in Fahrt. Als nächstes wollten wir diese exotischen Arten in einer Petrischale wachsen lassen, um mit ihnen zu experimentieren, wie sich das für Mikrobiologen gehört. Aber egal welche Nährlösung, sie weigerten sich zu wachsen. Sogar heute, 15 Jahre und viele Expeditionen später, ist es noch niemandem gelungen, eine dieser exotischen Mikroben aus dem tiefsten Untergrund in einer Petrischale zu züchten. Und es gab viele Versuche. Das mag enttäuschend klingen, aber ich finde es faszinierend, denn offenbar gibt es noch so viele verlockende Rätsel zu erforschen. Meine Kollegen und ich etwa hatten eine unserer Meinung nach großartige Idee. Wir wollten ihre Gene wie ein Kochbuch lesen: herausfinden, was sie fraßen, das in die Petrischale tun, und dann sollten sie wachsen und glücklich sein. Aber die Untersuchung ihrer Gene ergab, dass ihre Lieblingsnahrung das war, was wir ihnen schon gaben. Das war also ein Reinfall. Sie wollten etwas anderes in ihren Petrischalen haben, was wir ihnen einfach nicht gaben.
So now we were on a roll. The next step was to grow these exotic species in a petri dish so that we could do real experiments on them like microbiologists are supposed to do. But no matter what we fed them, they refused to grow. Even now, 15 years and many expeditions later, no human has ever gotten a single one of these exotic deep subsurface microbes to grow in a petri dish. And it's not for lack of trying. That may sound disappointing, but I actually find it exhilarating, because it means there are so many tantalizing unknowns to work on. Like, my colleagues and I got what we thought was a really great idea. We were going to read their genes like a recipe book, find out what it was they wanted to eat and put it in their petri dishes, and then they would grow and be happy. But when we looked at their genes, it turns out that what they wanted to eat was the food we were already feeding them. So that was a total wash. There was something else that they wanted in their petri dishes that we were just not giving them.
Durch die Kombination von Messungen von vielen verschiedenen Orten weltweit errechneten meine Kollegen von der University of Southern California, Doug LaRowe und Jan Amend, dass jede dieser Tiefsee-Mikroben nur einen Zeptowatt Energie benötigt. Bevor Sie Ihre Handys herausholen -- ein Zepto ist 10 hoch -21. Ich weiß, ich würde das nachsehen wollen. Menschen hingegen benötigen circa 100 Watt Energie. 100 Watt entspricht etwa einer Ananas, die man 881.632-mal am Tag aus etwa Hüfthöhe zu Boden fallen lässt. Wenn man das täte und sie an eine Turbine anschlösse, würde das genug Energie produzieren, um mich einen Tag lang zu 'betreiben'. Ein Zeptowatt ist dementsprechend, wenn man ein einziges Salzkorn nimmt und sich dann einen winzig kleinen Ball mit dem Tausendstel der Masse jenes Salzkorns vorstellt, den man einen Nanometer fallen lässt -- was hundertmal kleiner ist als die Wellenlänge sichtbaren Lichts --, einmal pro Tag. Mehr brauchen diese Mikroben zum Leben nicht. Das ist weniger Energie, als wir jemals für das Minimum zum Leben möglich hielten, aber unglaublicherweise ist es wie durch ein Wunder genug.
So by combining measurements from many different places around the world, my colleagues at the University of Southern California, Doug LaRowe and Jan Amend, were able to calculate that each one of these deep-sea microbial cells requires only one zeptowatt of power, and before you get your phones out, a zepto is 10 to the minus 21, because I know I would want to look that up. Humans, on the other hand, require about 100 watts of power. So 100 watts is basically if you take a pineapple and drop it from about waist height to the ground 881,632 times a day. If you did that and then linked it up to a turbine, that would create enough power to make me happen for a day. A zeptowatt, if you put it in similar terms, is if you take just one grain of salt and then you imagine a tiny, tiny, little ball that is one thousandth of the mass of that one grain of salt and then you drop it one nanometer, which is a hundred times smaller than the wavelength of visible light, once per day. That's all it takes to make these microbes live. That's less energy than we ever thought would be capable of supporting life, but somehow, amazingly, beautifully, it's enough.
Wenn also die subterranen Mikroben ein anderes Verhältnis zu Energie haben, als wir zunächst annahmen, dann haben sie folglich auch ein anderes Verhältnis zur Zeit, denn wenn man von einer so winzigen Energiemenge lebt, ist schnelles Wachstum unmöglich. Wenn sie unsere Hälse besiedeln und uns krank machen wollten, würden sie von schnell wachsenden Streptokokken verdrängt, bevor sie mit der Zellteilung auch nur beginnen könnten. Deswegen finden wir sie nie in unseren Hälsen. Vielleicht ist die Tatsache, dass der Tiefseeboden so langweilig ist, ein Vorteil für diese Mikroben. Sie werden nie von einem Sturm weggespült. Sie werden nie von Unkraut überwuchert. Sie müssen einfach nur existieren. Vielleicht war die Zutat, die in unseren Petri-Schalen fehlte, gar kein Nährstoff. Vielleicht war es keine Chemikalie.
So if these deep-subsurface microbes have a very different relationship with energy than we previously thought, then it follows that they'll have to have a different relationship with time as well, because when you live on such tiny energy gradients, rapid growth is impossible. If these things wanted to colonize our throats and make us sick, they would get muscled out by fast-growing streptococcus before they could even initiate cell division. So that's why we never find them in our throats. Perhaps the fact that the deep subsurface is so boring is actually an asset to these microbes. They never get washed out by a storm. They never get overgrown by weeds. All they have to do is exist. Maybe that thing that we were missing in our petri dishes was not food at all. Maybe it wasn't a chemical.
Vielleicht ist der Nährstoff, den sie wirklich haben wollen, Zeit! Aber Zeit ist die eine Sache, die ich ihnen nie werde geben können. Selbst wenn ich eine Zellkultur an meine Doktoranden weitergebe, und die geben sie weiter an ihre Doktoranden usw., müssten wir das tausende Jahre lang tun, um die genauen Bedingungen tief im Meeresboden zu imitieren, ohne dabei Verunreinigungen zu züchten. Das ist einfach nicht möglich. Aber vielleicht wachsen sie schon in unseren Petrischalen. Vielleicht sahen sie all die Nährstoffe und sagten: "Danke, jetzt beeile ich mich so, dass ich in 100 Jahren eine neue Zelle mache -- uff!"
Maybe the thing that they really want, the nutrient that they want, is time. But time is the one thing that I'll never be able to give them. So even if I have a cell culture that I pass to my PhD students, who pass it to their PhD students, and so on, we'd have to do that for thousands of years in order to mimic the exact conditions of the deep subsurface, all without growing any contaminants. It's just not possible. But maybe in a way we already have grown them in our petri dishes. Maybe they looked at all that food we offered them and said, "Thanks, I'm going to speed up so much that I'm going to make a new cell next century.
(Gelächter)
Ugh.
(Laughter)
Aber weshalb bewegt sich alles andere in der Biologie so schnell? Warum stirbt eine Zelle nach einem Tag und ein Mensch nach nur hundert Jahren? Das scheinen willkürlich kurze Zeitgrenzen zu sein, wenn man bedenkt, wie viel Zeit es im Universum gibt. Aber diese Grenzen sind nicht willkürlich. Sie beruhen auf einer einzigen, einfachen Sache, und das ist die Sonne. Als Lebewesen lernten, die Energie der Sonne durch Fotosynthese zu nutzen, mussten wir uns alle schnell an Tag-Nacht-Zyklen gewöhnen. Die Sonne gab uns sozusagen sowohl den Grund als auch die Energie, schnell zu sein. Fast alles Leben auf der Erde gleicht einem Kreislaufsystem, und die Sonne ist unser schlagendes Herz.
So why is it that the rest of biology moves so fast? Why does a cell die after a day and a human dies after only a hundred years? These seem like really arbitrarily short limits when you think about the total amount of time in the universe. But these are not arbitrary limits. They're dictated by one simple thing, and that thing is the Sun. Once life figured out how to harness the energy of the Sun through photosynthesis, we all had to speed up and get on day and night cycles. In that way, the Sun gave us both a reason to be fast and the fuel to do it. You can view most of life on Earth like a circulatory system, and the Sun is our beating heart.
Aber der Tiefseeboden ist wie ein Kreislaufsystem, das völlig unabhängig von der Sonne ist. Stattdessen wird es von langen, langsamen geologischen Rhythmen bestimmt. Zur Zeit gibt es keine theoretische Grenze für die Lebensdauer einer einzelnen Zelle. Solange es zumindest ein winziges Energiepotenzial zu verwerten gibt, könnte eine einzelne Zelle theoretisch hunderttausende Jahre leben, einfach durch das Ersetzen abgenutzter Bestandteile. Damit eine so lebende Mikrobe in unserer Petrischale wachsen kann, müsste sie sich an unser hektisches, sonnenzentriertes Leben anpassen, und vielleicht haben sie einfach etwas Besseres zu tun!
But the deep subsurface is like a circulatory system that's completely disconnected from the Sun. It's instead being driven by long, slow geological rhythms. There's currently no theoretical limit on the lifespan of one single cell. As long as there is at least a tiny energy gradient to exploit, theoretically, a single cell could live for hundreds of thousands of years or more, simply by replacing broken parts over time. To ask a microbe that lives like that to grow in our petri dishes is to ask them to adapt to our frenetic, Sun-centric, fast way of living, and maybe they've got better things to do than that.
(Gelächter)
(Laughter)
Stellen Sie sich vor, wir könnten feststellen, wie sie das hinkriegen. Was, wenn es einen coolen, ultrastabilen Stoff beinhaltet, der die Lagerzeit biomedizinischer oder industrieller Anwendungen verlängert? Oder, wenn wir die Mechanismen verstehen, durch die sie so extrem langsam wachsen, könnten wir sie in Krebszellen nachbilden und unkontrollierte Zellteilung bremsen. Ich weiß es nicht. All das ist offen gesagt Spekulation, aber ich weiß mit 100%iger Sicherheit, dass es 100.000 Quadrillionen lebende mikrobische Zellen gibt, tief unter allen Ozeanen der Erde. Das ist 200-mal so viel wie die gesamte Biomasse von Menschen auf diesem Planeten. Und diese Mikroben haben eine völlig andere Beziehung zu Zeit und Energie als wir. Was für sie ein Tag ist, sind vielleicht 1.000 Jahre für uns. Sie kümmern sich nicht um die Sonne, wollen nicht schnell wachsen, und meine Petrischalen sind ihnen wohl völlig egal --
Imagine if we could figure out how they managed to do this. What if it involves some cool, ultra-stable compounds that we could use to increase the shelf life in biomedical or industrial applications? Or maybe if we figure out the mechanism that they use to grow so extraordinarily slowly, we could mimic it in cancer cells and slow runaway cell division. I don't know. I mean, honestly, that is all speculation, but the only thing I know for certain is that there are a hundred billion billion billlion living microbial cells underlying all the world's oceans. That's 200 times more than the total biomass of humans on this planet. And those microbes have a fundamentally different relationship with time and energy than we do. What seems like a day to them might be a thousand years to us. They don't care about the Sun, and they don't care about growing fast, and they probably don't give a damn about my petri dishes ...
(Gelächter)
(Laughter)
aber wenn wir weiterhin kreative Wege für ihre Erforschung finden, finden wir vielleicht endlich heraus, wie das Leben auf der Erde funktioniert.
but if we can continue to find creative ways to study them, then maybe we'll finally figure out what life, all of life, is like on Earth.
Danke.
Thank you.
(Applaus)
(Applause)