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.
Som morská mikrobiologička na Univerzite v Tennessee a chcem vám porozprávať o mikróboch, ktoré sú také zvláštne a úžasné, že popierajú naše domnienky o tom, aký je život na Zemi.
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.
Mám otázku. Dajte hore ruku, keď vám niekedy napadlo, že by bolo super ísť na dno oceánu v ponorke? Áno. Väčšina z vás, lebo oceány sú super.
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.
V poriadku, teraz dajte ruku hore, keď váš dôvod ísť na dno oceánu je, že by vás to o trochu priblížilo k zaujímavému bahnu, ktoré tam dole je.
(Laughter)
(smiech)
Nobody. I'm the only one in this room.
Nikto. Som jediná v tejto miestnosti.
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.
Ja nad tým rozmýšľam stále. Trávim väčšinu dňa tým, že sa snažím zistiť, ako hlboko do Zeme môžeme ísť, aby sme stále niečo našli, hocičo, čo je živé, pretože stále nevieme odpoveď na túto veľmi základnú otázku o živote na Zemi.
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.
V 80. rokoch vedec John Parkes vo Veľkej Británii bol podobne posadnutý a prišiel na šialený nápad. Veril, že existuje rozsiahla, hlboká a živá mikrobiálna biosféra pod zemskými oceánmi, ktorá siaha stovky metrov do morského dna, čo je zaujímavé, jediný problém bol, že nikto mu neveril a dôvod, prečo mu nikto neveril, bol, že oceánske sedimenty sú asi najnudnejšie miesto na Zemi.
(Laughter)
(smiech)
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.
Nie je tam žiadne svetlo, žiaden kyslík a asi najhoršie zo všetkého, nie sú tam donášky čerstvého jedla už milióny rokov. Nemusíte mať doktorát z biológie na to, aby ste vedeli, že je to zlé miesto na hľadanie života.
(Laughter)
(smiech)
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.
Avšak v roku 2002 [Steven D'Hondt] presvedčil dosť ľudí o tom, že niečo našiel a tak získal expedíciu na tomto lodnom vrtáku, nazývanú JOIDES Resolution. Fungoval po boku Bo Barker Jørgensena z Dánska. Konečne sa im podarilo získať dobré, čisté vzorky z podpovrchových hĺbok, niektoré bez znečistenia od povrchových mikróbov. Tento lodný vrták je schopný vŕtať tisícky metrov pod dno oceánu a bahno vychádza v následných cievkach jedna za druhou, dlhé, dlhočizné cievky, ktoré vyzerajú takto. Tie nosia vedci ako ja, ktorí sú na týchto lodiach a spracúvame cievky na lodiach a potom ich posielame domov, do našich domácich laboratórií na ďalšie skúmanie.
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.
Keď John a jeho kolegovia získali tieto prvé vzácne čisté hlbokomorské vzorky, dali ich pod mikroskop a uvideli niečo, čo vyzeralo skoro ako toto, čo je z nedávnej expedície Joy Buongiornovej, mojej Ph.D študentky. Môžete vidieť hmlisté veci v pozadí. To je bahno. To je hlbokomorské oceánske bahno a tie jasnozelené bodky zafarbené fluorescenčnou zelenou farbou sú ozajstné živé mikróby.
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.
Musím vám povedať niečo skutočne tragické o mikróboch. Všetky vyzerajú rovnako pod mikroskopom, aspoň pri prvom priblížení. Môžete zobrať najfascinujúcejšie organizmy na svete, ako mikrób, ktorý doslova dýcha urán a ďalší, ktorý vyrába raketové palivo, pomiešať ich s oceánskym bahnom, dať ich pod mikroskop a sú to len malé bodky. Je to otravné. Takže nemôžeme použiť ich výzor na to, aby sme ich rozoznali. Musíme použiť DNA, ako odtlačok prsta, aby sme vedeli, kto je kto.
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.
Ja vás všetkých hneď teraz naučím, ako to urobiť. Vymyslela som si nejaké dáta, ktoré nie sú skutočné, a teraz vám ich ukážem. To je na ilustráciu toho, ako by to vyzeralo, keby skupina druhov nebola vôbec príbuzná. Môžete vidieť, že každý druh má zoznam kombinácií A,G,C,T, ktoré sú štyri pod-jednotky DNA náhodne pomiešané a nič nevyzerá ako niečo iné a tieto druhy nemajú nič spoločné. Avšak takto vyzerá skutočné DNA z génu, ktorý tieto druhy majú spoločný. Všetko sedí skoro dokonale. Možnosť, že budete mať toľko vertikálnych stĺpcov, kde každý druh má C, alebo každý druh má T čistou náhodou, je nekonečne malá. Takže vieme, že všetky tieto druhy museli mať spoločného predka. Všetci sú spoloční príbuzní.
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.
Tak a teraz vám poviem, kto to je. Vrchné dve sme my a šimpanzy, čo ste už všetci vedeli, že sú príbuzní, pretože je to očividné.
(Laughter)
(smiech)
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.
Ale sme tiež príbuzní s vecami, na ktoré sa nepodobáme, ako borovica a Giardia, čo je žalúdočno-črevná choroba, ktorú môžete dostať, keď si nefiltrujete vodu na túre. Taktiež sme príbuzní s baktériami, ako E. coli a Clostridium difficile, čo je hrozný oportunistický patogén, ktorý zabíja mnoho ľudí. Samozrejme, že existujú aj dobré mikróby, ako baktérie rodu Dehalococcoides, ktoré za nás čistia industriálny odpad. Keď si vezmem tieto DNA sekvencie a potom použijem podobnosti a rozdiely medzi nimi na vytvorenie rodokmeňu pre nás všetkých, aby ste mohli vidieť kto je blízky príbuzný, potom to vyzerá takto. Na prvý pohľad môžete jasne vidieť, že bytosti ako my a Giardia a zajace a borovice sú všetky ako súrodenci, a potom baktérie sú ako naši pradávni bratranci. Ale sme príbuzní so všetkými živými stvoreniami na Zemi. Každý deň v práci prichádzam s vedeckými dôkazmi proti existenciálnej samote.
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.
Keď sme dostali tieto prvé DNA sekvencie z prvej výpravy, z prvotriednych vzoriek z hlbokého pod-povrchu, chceli sme vedieť, kde sa nachádzali. Prvú vec, ktorú sme zistili, bola, že nie sú mimozemšťania, pretože sme ich DNA dokázali prepojiť so všetkým ostatným na Zemi. Pozrite, kde sa nachádzajú na strome života. Prvá vec, ktorú si všimnete, je, že ich je veľa. Nebol to len jeden malý druh, ktorému sa podarilo prežiť na tomto hroznom mieste. Je toho oveľa viac. Druhá vec, ktorú si snáď všimnete, je, že sa nepodobajú na nič, čo sme videli predtým. Sú od seba také odlišné, ako sú odlišné od všetkého iného, čo sme kedy poznali, ako sme my od borovíc. Takže John Parkes mal úplnú pravdu. On a my sme objavili úplne nový a vysoko rôznorodý mikrobiálny ekosystém na Zemi, o ktorom nikto nevedel, že existuje do 80. rokov 20. storočia.
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.
Boli sme na dobrej ceste. Ďalším krokom bolo vypestovať tieto exotické druhy v Petriho miske, aby sme na nich mohli robiť skutočné experimenty, ako by to mikrobiológovia mali robiť. Avšak bolo jedno, čím sme ich kŕmili, odmietali rásť. Aj teraz o 15 rokov a mnoho expedícií neskôr sa žiadnemu človeku nepodarilo vypestovať čo i len jeden tento exotický hlboko pod-povrchový mikrób v Petriho miske. A nie je to nedostatkom snahy. Môže to znieť trochu pesimisticky, ale mne to príde vzrušujúce, lebo to znamená, že existuje omnoho viac zaujímavých neznámych na vyriešenie. Mysleli sme si, ja a moji kolegovia, že sme dostali skvelý nápad. Chceli sme prečítať ich gény ako kuchárku, nájsť to, čo chcú jesť, a dať to do ich Petriho misiek a potom by rástli a boli šťastné. Ale keď sme sa pozreli na ich gény, ukázalo sa, že tým, čo by chceli jesť, sme ich už kŕmili. Bola to úplná strata času. Bolo tam ešte niečo, čo chceli mať vo svojich Petriho miskách, čo sme im nedávali.
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.
Kombináciou meraní z rôznych miest na svete moji kolegovia na Univerzite Južnej Kalifornie, Doug LaRowe a Jan Amend, boli schopní vypočítať, že každá z týchto hlbokomorských mikrobiálnych buniek potrebuje len jeden zeptowatt energie, a skôr než si vyberiete mobil z vrecka, zepto je jedna triliardtina, pretože viem, že ja by som si to chcela zistiť. Na druhej strane, ľudia potrebujú okolo 100 wattov energie. 100 wattov je približne ako keď zoberiete ananás a pustíte ho z výšky vášho pásu na zem tak 881 632-krát za deň. Keby ste to urobili a napojili to na turbínu, to by vytvorilo dostatok energie, aby som mohla deň existovať. Zeptowatt, keď ho dáte do podobnej rovnice, je ako keď zoberiete zrnko soli a potom si predstavíte maličkú guličku, ktorá je tisícinou masy toho jedného zrnka soli a potom ju pustíte jeden nanometer, ktorý je tisíckrát menší než vlnová dĺžka viditeľného svetla, raz za deň. To stačí mikróbom na prežitie. Je to menej energie, než sme si kedy mysleli, že by stačilo na život, avšak nejakým spôsobom, napodiv, je to dosť.
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.
Pokiaľ tieto hlboko pod-povrchové mikróby majú odlišný vzťah k energii, než sme si mysleli, tak je logické, že budú mať iný vzťah aj s časom, pretože ak žijete na tak málo energii, rýchly rast je nemožný. Keby tieto veci chceli kolonizovať naše hrdlá a nakaziť nás, premohli by ich rýchlo rastúce streptokoky predtým, než by mohli začať s bunkovým delením. Preto ich nikdy nenájdeme v našich hrdlách. Možno to, že hlboký pod-povrch je taký nudný, je vlastne výhodou pre tieto mikróby. Nikdy ich nevyplaví búrka. Nikdy ich neprerastie burina. Nemusia robiť nič iné, len existovať. Možno to, čo nám chýba v Petriho miskách, nebolo nakoniec jedlo. Možno to nebola chemikália. Možno to, čo tak chcú, výživa, ktorú tak chcú, je čas. Avšak čas je jediná vec, ktorú im nie som schopná dať. Keď mám bunkovú kultúru, ktorú posuniem svojim PhD. študentom, ktorí ju posunú svojim PhD. študentom atď., museli by sme to robiť tisícky rokov na to, aby sme napodobnili presné podmienky hlbokého pod-povrchu, bez toho, aby sme nevypestovali nečistoty. Jednoducho to nie je možné. Je možné, že sme ich už v našich Petriho miskách vypestovali. Možno sa pozreli na všetko to jedlo, ktoré sme im ponúkli a povedali: „Vďaka, ja to tak urýchlim, že vytvorím novú bunku v ďalšom storočí.“ Pfff.
(Laughter)
(smiech)
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.
Prečo sa teda zvyšok biológie hýbe tak rýchlo? Prečo bunka zomrie po jednom dni a človek zomrie po len sto rokoch? Zdajú sa to byť arbitrárne krátke časové limity, keď si vezmete celkové množstvo času vo vesmíre. Ale nie sú to arbitrárne limity. Sú diktované jednou jednoduchou vecou, a tá vec je Slnko. Akonáhle život zistil, ako získavať energiu zo Slnka cez fotosyntézu, všetci sme si museli pohnúť a začať fungovať na denných a nočných cyklusoch. Týmto spôsobom nám Slnko dalo dôvod byť rýchli a energiu na to. Môžete brať väčšinu života na Zemi ako obežný systém a Slnko je naše búšiace srdce.
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.
Ale hlboký pod-povrch je ako obežný systém, ktorý je úplne odpojený od Slnka. Namiesto toho ho poháňa dlhý a pomalý geologický rytmus. Momentálne neexistuje teoretický limit na dĺžku života jednej bunky. Pokiaľ na využitie existuje aspoň maličké množstvo energie, tak teoreticky by samostatná bunka mohla žiť stovky tisícov rokov a viac, jednoducho nahrádzaním nefunkčných častí postupom času. Žiadať mikrób, ktorý takto žije, aby vyrástol v našich Petriho miskách, je ako žiadať aby sa prispôsobili nášmu rýchlemu slnečnému spôsobu života a možno majú lepšie veci na práci.
(Laughter)
(smiech)
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 ...
Predstavte si, že by sme zistili, ako to robia. Čo ak to zahŕňa zaujímavé ultrastabilné zmesi, ktoré by sme mohli použiť na zvýšenie trvanlivosti v biologicko-lekárskych, alebo industriálnych aplikáciách? Alebo keby sme zistili mechanizmus, ktorý používajú na taký neobyčajne pomalý rast, mohli by sme ho napodobniť v rakovinových bunkách a spomaliť ich delenie. Neviem. Skutočne, všetko sú to špekulácie, ale som si istá jedinou vecou, a to, že na dne všetkých svetových oceánov existujú stovky miliárd miliárd miliárd živých mikrobiálnych buniek. To je 200-krát viac než je celková biomasa človeka na tejto planéte. A tieto mikróby majú od základu odlišný vzťah s časom a energiou, než máme my. Čo sa im zdá ako deň, môžu byť pre nás tisícky rokov. Nezaujímajú sa o Slnko a nezaujíma ich rýchly rast a pravdepodobne ich nezaujímajú moje Petriho misky,
(Laughter)
(smiech)
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.
ale keď budeme pokračovať v hľadaní kreatívnych spôsobov ako ich študovať, tak možno konečne zistíme aký je život, všetok život, na Zemi.
Thank you.
Ďakujem.
(Applause)
(potlesk)