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.
Eu sou microbióloga oceânica na Universidade do Tennessee, e quero falar sobre alguns micro-organismos tão incomuns e maravilhosos que têm desafiado nossas certezas sobre como é de fato 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.
Então, vou fazer uma pergunta. Por favor, levante a mão se você já pensou que seria legal ir até o fundo do oceano num submarino? Sim, a maioria, porque os oceanos são bem legais.
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.
Certo, agora por favor levante e mão se você levantou a mão para ir ao fundo do oceano porque assim chegaria um pouquinho mais perto daquela lama interessante que tem lá embaixo.
(Laughter)
(Risos)
Nobody. I'm the only one in this room.
Ninguém. Eu sou a única aqui.
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.
Bem, penso nisso o tempo todo. Passo a maior parte do meu dia tentando determinar a que profundidade conseguimos chegar na Terra e ainda encontrar algo, qualquer coisa, que tenha vida, pois ainda não temos a resposta a essa pergunta fundamental a respeito da 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.
Na década de 1980, um cientista chamado John Parkes, no Reino Unido, tinha essa mesma obsessão, e ele teve uma ideia louca. Ele acreditava que existia uma biosfera gigante, profunda e vibrante sob os oceanos do mundo todo que se estendia por centenas de metros de profundidade no leito oceânico, o que é legal, mas o único problema é que ninguém acreditava nele, e ninguém acreditava nele porque os sedimentos do oceano talvez sejam o lugar mais chato da Terra.
(Laughter)
(Risos)
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, não há oxigênio e, talvez o pior de tudo, é que não há entrega de comida fresca durante literalmente milhões de anos. Não é preciso ser PhD em biologia pra saber que é um lugar ruim para se procurar vida.
(Laughter)
(Risos)
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.
Mas, em 2002, Steven D'Hondt tinha convencido muita gente de que ele estava trabalhando em algo que acabou conseguindo uma expedição, num navio de perfuração, chamada JOIDES Resolution. Ele a coordenou junto com Bo Barker Jørgensen, da Dinamarca. Finalmente eles conseguiram amostras intocadas do fundo do leito oceânico, algumas realmente sem contaminação de micróbios da superfície. Esse navio é capaz de perfurar milhares de metros no leito oceânico e a lama vem à superfície em tubos sequenciais, um após o outro, tubos bem longos, como este da foto. Ele é carregado por cientistas, como eu, que embarcam nesses navios e analisam os tubos nos navios e depois os enviamos aos nossos laboratórios, para estudá-los melhor.
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 seus colegas conseguiram essas amostras intocadas do leito oceânico profundo, eles a colocaram sob o microscópio e viram imagens bem parecidas com esta, que foi na verdade obtida numa expedição mais recente feita pela minha estudante de PhD Joy Buongiorno. Dá pra ver o material nebuloso no fundo. É lama do leito oceânico profundo, e os pontos verdes brilhantes destacados com corante verde fluorescente são micro-organismos 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.
Preciso contar a vocês algo trágico sobre os micro-organismos. Todos parecem iguais sob o microscópio, à primeira vista. Você pode pegar os organismos mais fascinantes do mundo, como um micróbio que literalmente respira urânio, e outro que faz combustível de foguete, misturá-los com lama do oceano, colocá-los sob um microscópio, e eles são apenas pequenos pontos. É realmente irritante. Não podemos usar a aparência deles para separá-los. Usamos o DNA, 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.
E eu vou ensinar a vocês como fazer isso agora. Então eu maquiei alguns dados, e vou mostrar dados não reais. Isso é para ilustrar como seria se um bando de espécies não estivessem relacionadas entre si. Assim vocês podem ver que cada espécie tem uma lista de combinações de A, G, C e T, as quatro sub-unidades de DNA, meio aleatoriamente misturadas, e nada parece com mais nada, e essas espécies são totalmente independentes. Mas essa é a aparência do verdadeiro DNA, de um gene que essas espécies passam a compartilhar. Tudo se alinha quase perfeitamente. As chances de conseguir muitas daquelas colunas verticais onde cada espécie tem um C ou cada espécie tem um T, de forma aleatória, são infinitesimais. Então sabemos que todas essas espécies tinham que ter um ancestral comum. Eles são parentes uns dos outros.
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.
Então agora vou dizer quem eles são. As duas de cima somos nós e os chimpanzés, que todos já sabiam do parentesco, 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 temos parentesco com coisas com as quais não parecemos, como pinheiros e Giardia, aquela doença gastrointestinal contraída ao beber água não filtrada durante nossas caminhadas. Temos parentesco também com as bactérias E. coli e Clostrídio, patógenos terríveis e oportunistas que levam à morte. Há bons micro-organismos, é lógico, o Dehalococcoides ethenogenes, que faz a limpeza de nosso resíduo industrial. Portanto, se eu pegar estas sequências de DNA, observando as similaridades e as diferenças entre elas, e usá-las para fazer uma árvore genealógica veremos nosso parentesco mais próximo, portanto, é isso que parece. Logo de cara, podem claramente identificar que nós, a Giardia, os coelhos e os pinheiros, somos todos irmãos e que as bactérias são nossos primos distantes. Somos parentes de todos os seres vivos da Terra. Em meu trabalho diário consigo produzir evidências 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 analisamos as primeiras sequências de DNA dessas amostras intocadas do fundo do leito oceânico, queríamos saber onde elas estavam. A primeira coisa que descobrimos é que não eram "extraterrestres", porque podíamos pegar seu DNA e alinhar com tudo na Terra. Porém, investigamos onde elas entram em nossa árvore genealógica. A primeira coisa que vão notar é que há muitas espécies. Não era uma única espécie que conseguia viver nesse lugar terrível. É um monte de coisas. A segunda coisa que vão notar, tomara, é que elas não se parecem com nada que já vimos antes. São tão diferentes umas das outras, e diferentes de qualquer coisa que conhecemos, quanto somos diferentes dos pinheiros. Portanto, John Parkes estava completamente certo. Ele, e nós, tínhamos descoberto um ecossistema altamente diversificado e completamente novo na Terra que ninguém sabia que existia antes da década de 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.
Ficamos muito envolvidos nisso. O próximo passo era cultivar essas espécies exóticas em placa de Petri e fazer experimentos completos com elas, assim como os microbiologistas fazem. Não importava como as alimentávamos, elas se recusavam a crescer. Mesmo agora, após 15 anos e muitas expedições, nenhum humano jamais conseguiu cultivar essas espécies exóticas em uma placa de Petri. E não foi por falta de tentar. Pode parecer decepcionante, mas, ao contrário, acho estimulante, pois significa que há muita coisa desconhecida ainda para descobrirmos. Eu e meus colegas tivemos uma ideia genial: ler os genes das espécies como um livro de receitas, descobrir o que queriam comer e colocar tudo nas suas placas de Petri, então, elas cresceriam e seriam felizes. Mas quando observamos seus genes, descobrimos que elas queriam comer a mesma comida que havíamos dado a elas. Deu na mesma. Tinha algo a mais que elas queriam nas placas de Petri que não estávamos dando a elas.
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.
Ao combinar medições de muitos lugares diferentes ao redor do mundo, meus colegas da Universidade do Sul da Califórnia, Doung LaRowe e Jan Amend, conseguiram calcular que cada uma das células microbiais precisam somente de um zeptowatt de força e antes que vocês consultem, um zeptowatt é 10 elevado a menos 21; eu também teria curiosidade em saber. Por outro lado, os humanos precisam de aproximadamente 100 watts de força. Então, 100 watts é, basicamente, pegar um abacaxi e soltá-lo da altura da cintura até o chão 881.632 vezes por dia. Se fizesse isso e conectasse-o a uma turbina, criaria força suficiente pra que eu funcionasse por um dia. Um zeptowatt, se considerarmos em termos similares, é como pegar um grão de sal e imaginar uma bola muito pequena que é um milionésimo da massa desse grão de sal e colocá-la em um nanômetro, que é uma centena de vezes menor do que o comprimento de onda da luz, uma vez por dia. Isso é tudo que precisa para fazer esses micro-organismos viverem. É menos energia do que imaginávamos ser necessária para suportar a vida, mas, de um modo impressionante e maravilhoso, 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.
Portanto, se esses micro-organismos têm um relacionamento bem diferente com energia daquele que prevíamos, precisarão ter um relacionamento diferente com o tempo também, pois, quando se vive em gradientes minúsculos de energia, o crescimento acelerado é impossível. Se quisessem colonizar em nossas gargantas e nos deixar doentes, seriam expulsos pelo crescimento dos estreptococos antes que pudessem iniciar a divisão celular. É por isso que nunca os encontramos em nossas gargantas. Talvez o fato do fundo do leito oceânico ser tão chato seja uma vantagem para esses micro-organismos. Eles nunca são destruídos por tempestades, nunca são cobertos por ervas. Tudo que eles têm que fazer é existir. Talvez aquilo que estava faltando nas placas de Petri de forma alguma era comida, tampouco um produto químico. Talvez o nutriente que eles realmente querem é tempo. Mas tempo é algo que nunca poderemos dar a eles. Mesmo se eu passar uma cultura celular para meu alunos de PhD, e eles repassarem para seus alunos de PhD, etc., teríamos que fazer isso por milhares de anos para imitar as condições exatas do fundo do leito oceânico, tudo sem o crescimento de contaminantes. Isso não é possível. Talvez, de certa forma, já os cultivamos nas placas de Petri. Talvez possam olhar para a comida que demos e digam: "Obrigado, vou acelerar tanto que farei uma nova célula no próximo 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.
Então por que o restante da biologia caminha tão rápido? Por que uma célula morre após um dia e um humano morre depois de uma centena de anos? Realmente são limites arbitrariamente curtos se você considerar a quantidade de tempo do Universo. Porém, não são limites arbitrários. São comandados por uma simples coisa e esta coisa é o Sol. Quando a vida descobriu como aproveitar a energia solar através da fotossíntese, tivemos que acelerar e nos adaptar aos ciclos de dia e noite. Dessa forma, o Sol nos deu uma razão para sermos rápidos e o combustível para fazer isso. Podemos ver a vida na Terra como um sistema circulatório e o Sol como nosso coração.
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 fundo do leito oceânico é como um sistema circulatório completamente desconectado do Sol. Ao invés disso, ele é controlado por ritmos geológicos lentos e longos. Não há limite teórico na longevidade de uma simples célula. Desde que haja pelo menos um gradiente minúsculo de energia para explorar, teoricamente, uma simples célula poderia viver por centenas de milhares de anos ou mais, trocando partes quebradas ao longo do tempo. Pedir a um micro-organismo para crescer nas placas de Petri vivendo dessa forma é pedir-lhe que se adapte ao estilo de vida centrado no Sol, e ele talvez tenha coisas melhores a fazer.
(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 descobríssemos como eles conseguem fazer isso. E se isso envolver alguns componentes ultraestáveis que poderíamos usar para aumentar a validade de aplicações industriais ou biomédicas? Talvez se descobríssemos o mecanismo que usam para crescer de forma tão lenta, poderíamos reproduzir isso em células cancerígenas e desacelerar a divisão celular. Não sei. Honestamente, isso é especulação, mas a única coisa que tenho certeza é que há centenas de bilhões de bilhões de células de micro-organismos vivos escondidas em todos os oceanos do mundo. São 200 vezes mais do que o total da biomassa dos humanos nesse planeta. Esses micro-organismos têm um relacionamento diferente com o tempo e a energia do que nós temos. O que parece um dia para eles pode ser milhares de anos para nós. Eles não se importam com o Sol tampouco em crescer rápido. Eles não dão a mínima para 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.
Porém, se pudermos encontrar maneiras criativas de estudá-los talvez, finalmente, descobriremos como é toda a vida na Terra.
Thank you.
Obrigada.
(Applause)
(Aplausos)