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.
Sou microbióloga marinha na Universidade de Tennessee e quero falar-vos de uns micróbios que são tão estranhos e maravilhosos que põem em causa a nossa suposição sobre como é a vida na Terra.
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.
Por isso, vou fazer uma pergunta. Levante a mão quem já pensou que devia ser fixe ir ao fundo do oceano num submarino. Sim. A maioria, porque o oceano é fantástico.
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.
Agora, levante a mão se quem levantou a mão para ir ao fundo do oceano é porque isso o aproximaria um pouco mais desse lodo excitante que há lá em baixo.
(Laughter)
(Risos)
Nobody. I'm the only one in this room.
Ninguém. Sou a única nesta sala.
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.
Eu passo o tempo todo a pensar nisso. Passo a maior parte das horas em que estou acordada a tentar determinar até que profundidade podemos penetrar no planeta e ainda encontrar qualquer coisa com vida, porque ainda não temos resposta a esta pergunta tão simples sobre a vida na Terra.
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.
Nos anos 80, um cientista chamado John Parkes, no Reino Unido, também tinha a mesma obsessão e apareceu com uma ideia louca. Acreditava que havia uma biosfera microbiana ampla, profunda e com vida no fundo de todos os oceanos do mundo que se estendia por centenas de metros no fundo do mar. Era uma ideia muito fixe mas o problema é que ninguém acreditou nele. Não acreditaram nele porque os sedimentos do oceano
(Laughter)
devem ser o sítio mais enfadonho do planeta.
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.
Não há luz solar, não há oxigénio e, talvez o pior de tudo, não há fornecimento de comida fresca durante, literalmente, milhões de anos. Não é preciso ter um doutoramento em biologia para saber que é um sítio mau para procurar vida.
(Laughter)
Mas, em 2002, Steven D'Hondt convenceu bastantes pessoas
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.
de que havia qualquer coisa e partiu em expedição neste navio de perfuração, chamado JOIDES Resolution, juntamente com Bo Barker Jørgensen da Dinamarca. Finalmente, conseguiram obter boas amostras virgens no subsolo marinho profundo, sem qualquer contaminação dos micróbios da superfície. Este navio consegue perfurar milhares de metros no fundo do oceano e a lama extraída aparece em núcleos sequenciais, uns atrás dos outros — núcleos muito compridos com este aspeto. São transportados por cientistas, como eu, que vão nesses navios que os processam no navio e depois os enviam para terra, para os laboratórios, para estudo posterior.
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.
Quando John e os colegas obtiveram estas primeiras preciosas amostras virgens do fundo do mar, observaram-nas ao microscópio e viram imagens muito parecidas com esta, que foi obtida numa expedição mais recente pelo meu aluno doutorando, Joy Buongiorno. Podemos ver matéria opaca no fundo. É lodo. É lodo oceânico do fundo do mar. Os pontos verde vivo tingidos com tinta fluorescente verde são micróbios reais, vivos.
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.
Mas tenho de vos dizer uma coisa muito trágica sobre micróbios. Têm todos o mesmo aspeto ao microscópio, quer dizer, à primeira vista. Podemos encontrar os organismos mais fascinantes do mundo, como um micróbio que respira urânio, literalmente, e outro que faz combustível para foguetes. Misturamo-los com a lama do oceano, colocamo-los no microscópio e são apenas pequenos pontos. É muito frustrante. Não podemos usar o aspeto deles para os separar. Temos de usar o ADN, como uma impressão digital, para dizer quem é quem.
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.
Vou contar-vos como os distinguimos. Inventei uns dados e vou mostrar dados que não são reais. Isto é para ilustrar qual será o aspeto se várias espécies não estivessem relacionadas umas com as outras. Vemos assim que cada espécie tem uma lista de combinações de A, G, C e T que são as quatro subunidades do ADN, misturadas aleatoriamente e nenhuma é parecida com outra qualquer. Estas espécies não têm qualquer ligação entre si. Mas este é o aspeto real do ADN a partir de um gene que estas espécies partilham. Tudo se alinha perfeitamente. As probabilidades de ter tantas destas colunas verticais em que todas as espécies têm um C ou todas as espécies têm um T, por acaso, são mínimas. Por isso, sabemos que todas estas espécies deviam ter um antepassado comum. São todas aparentadas.
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.
Agora vou dizer-vos quem elas são. As duas de cima somos nós e os chimpanzés, que, sabemos, estão relacionadas... obviamente.
(Laughter)
(Risos)
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.
Mas também estamos relacionados com coisas com que não nos parecemos, como com os pinheiros e a giárdia, que é uma doença gastrointestinal que apanhamos se não filtrarmos a água quando fazemos caminhadas. Também estamos relacionados com bactérias como a E.coli e a Clostridium difficile que é um agente patogénico terrível, oportunista, que mata muita gente. Mas também há micróbios bons, como o Dehalococcoides ethenogenes que se encarrega de limpar o nosso lixo industrial. Se eu agarrar nestas sequências de ADN e depois as usar, as semelhanças e as diferenças entre elas, para fazer uma árvore da vida de todos nós, para vermos quem está estreitamente ligado, é isto que aparece, Vemos, claramente, de imediato, que coisas como nós: a giárdia, os coelhos e os pinheiros somos como irmãos e as bactérias são como nossos primos afastados. Mas somos da mesma família de todos os seres vivos na Terra. A minha tarefa diária, no trabalho, é encontrar provas científicas contra a solidão existencial,
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.
Quando recebemos as primeiras sequências de ADN, a partir das primeiras amostras virgens do subsolo marinho, quisemos saber onde é que elas estavam. Primeiro descobrimos é que não eram extraterrestres, porque o ADN delas se alinhava com tudo o resto no planeta. Mas agora reparem onde se situam na nossa árvore da vida. A primeira coisa em que reparamos é que há imensas, não havia apenas uma pequena espécie que conseguira sobreviver neste local terrível. São muitas coisas. A segunda coisa em que reparamos é que são diferentes de tudo o que já conhecíamos. São tão diferentes umas das outras como são diferentes de tudo o que já conhecíamos, tal como somos diferentes dos pinheiros. Então, John Parkes tinha toda a razão. Ele, e nós, descobrimos um ecossistema microbiano no planeta totalmente novo e muito diversificado que ninguém sabia que existia antes dos anos 80.
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.
A aventura podia começar. O passo seguinte era cultivar estas espécies exóticas em placas de Petri para podermos fazer experiências com elas, como os microbiólogos costumam fazer. Mas, apesar de tudo com que as alimentávamos recusavam-se a crescer. Ainda hoje, ao fim de 15 anos e de muitas expedições, ninguém conseguiu que um único destes micróbios exóticos do subsolo marinho, se desenvolvesse numa placa de Petri. E não foi por falta de tentativas. Isto pode parecer frustrante mas eu considero-o estimulante porque significa que há milhares coisas desconhecidas com que trabalhar. Os meus colegas e eu tivemos uma ideia que pensámos ser ótima. Íamos ler os genes como num livro de receitas, descobrir o que elas queriam comer e colocar isso nas placas de Petri para elas crescerem e serem felizes. Mas, quando olhámos para os genes, vimos que o que queriam comer era o que já lhes tínhamos dado. Foi um balde de água fria. Havia uma outra coisa que queriam nas placas de Petri que não lhes estávamos a dar.
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.
Então, associando medições de muitos locais diferentes de todo o mundo, os meus colegas na Universidade da Califórnia do Sul, Doug LaRowe e Jan Amend, puderam determinar que cada uma daquelas células microbianas exige apenas um zeptowatt de energia e, antes que puxem dos vossos telemóveis, um zepto é 10 elevado a menos 21 — porque sei que também iria pesquisar. Os seres humanos, por outro lado, exigem cerca de 100 watts de energia. Cem watts é como se agarrarmos num ananás e o deixarmos cair da altura da cintura até ao chão 881 632 vezes por dia. Se fizéssemos isso e o ligássemos a uma turbina, isso criaria energia suficiente para me satisfazer durante um dia. Um zeptowatt, colocado numa situação idêntica, é como se agarrássemos num grão de sal e depois imaginássemos uma bola muitíssimo minúscula, com um milésimo da massa desse grão de sal e o deixássemos cair um nanómetro — que é cem vezes mais pequeno do que o comprimento de onda duma luz visível — uma vez por dia. É isso que faz com que estes micróbios vivam. É menos energia do que jamais pensámos que pudesse sustentar vida, mas, espantosamente, maravilhosamente, é o suficiente.
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. 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. Ugh.
Assim, se estes micróbios do subsolo marinho têm uma relação muito diferente com a energia do que pensávamos, segue-se que também terão de ter uma relação diferente com o tempo porque, quando se vive com gradientes de energia tão diminutos é impossível um crescimento rápido. Se eles quisessem colonizar a nossa garganta e fazer-nos adoecer, seriam expulsos por estreptococos de crescimento rápido antes de poderem iniciar uma divisão celular. É por isso que nunca os encontramos na nossa garganta. Talvez o facto de o subsolo marinho ser tão aborrecido seja uma vantagem para estes micróbios. Nunca são perturbados por uma tempestade. Nunca são cobertos por ervas daninhas. Só têm de existir. Talvez que o que faltasse nas placas de Petri não fosse comida. Talvez não fosse um produto químico. Talvez que aquilo que elas queriam, o nutriente que lhes faltava, fosse o tempo. Mas o tempo é a única coisa que nunca lhes poderemos dar. Mesmo que eu passasse a cultura de células para os meus alunos doutorandos, e eles a fossem passando para os seus doutorandos, teríamos de fazer isso durante milhares de anos, a fim de criarmos as mesmas condições do subsolo marinho, tudo isso sem as sujeitar a quaisquer contaminantes, Não é possível. Talvez, perante a forma como as cultivámos nas nossas placas de Petri, elas olhem para toda aquela comida que lhes demos e digam: "Obrigado, vou acelerar tanto "que vou produzir uma nova célula daqui a um século". (Risos)
(Laughter)
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.
Porque é que o resto da biologia se move tão depressa? Porque é que uma célula morre ao fim de um dia e um ser humano só morre ao fim de cem anos? Parecem limites arbitrariamente curtos, quando pensamos na quantidade de tempo do universo. Mas não são limites arbitrários. São ditados por uma coisa simples, e essa coisa é o Sol. Quando a vida percebeu como dominar a energia do Sol, através da fotossíntese todos tivemos de nos apressar e entrar no ciclo do dia e da noite. Dessa forma, o Sol deu-nos uma razão para sermos rápidos e o combustível para o podermos ser. É como se a maior parte da vida na Terra seja um sistema circulatório em que o Sol é o nosso coração palpitante.
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.
Mas o subsolo marinho é como um sistema circulatório que está totalmente desligado do Sol. Em vez dele, é governado por ritmos geológicos longos e lentos. Atualmente, não há limite teórico na duração da vida de uma célula. Enquanto houver um diminuto gradiente de energia a explorar, teoricamente, uma célula pode viver centenas de milhares de anos ou mais, substituindo apenas partes danificadas ao longo do tempo. Pedir a um micróbio que vive dessa forma que se desenvolva numa placa de Petri é pedir-lhe que se adapte à nossa frenética vida, heliocêntrica. Talvez tenham coisas melhores a fazer do que isso.
(Laughter)
(Risos)
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 ...
Imaginem se pudéssemos perceber como eles fazem isso. E se isso envolve compostos ultraestáveis que podem prolongar a duração da vida em aplicações biomédicas ou industriais? Ou talvez, se descobríssemos o mecanismo que usam para se desenvolverem tão lentamente, pudéssemos aplicá-lo em células cancerosas e atrasar a divisão celular. Não sei. Sinceramente, tudo isto é especulação. A única coisa que sei, de certeza. é que há cem quatriliões de células microbianas vivas no fundo dos oceanos do planeta. São 200 vezes mais do que o total da biomassa dos seres humanos do planeta. Esses micróbios têm uma relação com o tempo e a energia fundamentalmente diferente da nossa. O que para eles parece um dia, para nós podem ser mil anos. Eles não querem saber do Sol, e não estão preocupados em crescer depressa. Provavelmente, estão-se nas tintas para as minhas placas de Petri.
(Laughter)
(Risos)
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.
Mas, se pudermos continuar a encontrar formas criativas de os estudar, talvez consigamos perceber como é a vida, toda a vida, no planeta.
Thank you.
Obrigada.
(Applause)
(Aplausos)