Det finns liv i berget

Den 14 november 1963 upptäckte kocken på en isländsk fisketrålare en enorm rökpelare utanför Islands sydkust. Båten begav sig genast till platsen i tron att det rörde sig om en brinnande båt som behövde undsättas. Men det visade sig vara ett vulkanutbrott till havs. Sjömännen fick se Surtsey födas, en vulkanö som har blivit något av en helig gral för ekologer som vill undersöka hur djur och växter koloniserar ”jungfrulig mark”, platser som tidigare varit helt utan liv.

Magnus Ivarsson är paleobiolog och ingår i ett forskarteam som just nu besöker Surtsey. Men han och hans kolleger är inte särskilt intresserade av vad som försiggår på själva ön. De vill i stället undersöka det liv som döljer sig i ett drygt 200 meter djupt borrhål.

– Surtsey är Europas yngsta berggrund. Vi vill se hur fort det går för livet att kolonisera en nybildad berggrund, vilka mikroorganismer som kommer först och i vilka steg som koloniseringen sker, säger Magnus Ivarsson, som är knuten till Naturhistoriska riksmuseet i Stockholm samt Syddansk universitet i Odense, Danmark.

Magnus Ivarsson är expert på att identifiera och analysera fossil av mikroorganismer i berggrunden. Han och hans kolleger har visat att det finns gott om sådana fossil i berglagren under haven. Det rör sig om bakterier och arkéer som lämnat spår i sprickor och håligheter i berget. Men den stora överraskningen är att forskarna har hittat svampfossil i samma miljö.

– Fram till 1990-talet trodde de flesta forskare att det inte fanns något liv alls i berggrunden. Sedan hittade man vissa spår som antydde att det kunde finnas liv där nere. Men man antog att det rörde sig om extremofiler, det vill säga mikroorganismer som är specialanpassade till den här sortens tuffa miljöer. Svampar passar inte alls in i den bilden. Därför väckte våra forskningsresultat en hel del uppmärksamhet.

Forskargruppen har analyserat borrprover från ytliga berglager och ner till en kilometers djup i Stilla havets och Atlantens havsbottnar. Överallt hittar de spår efter svampar. Det verkar alltså vara gott om dem, och artrikedomen är stor.

– Vi har hittat svampar från alla större grupper som lever i jord, även matsvamparna är representerade.

Men än så länge har forskarna inte kunnat studera levande svampar från berggrund. Det beror på att själva borrningen påverkar mikroorganismerna. Det är exempelvis nästan omöjligt att avgöra om eventuella levande organismer i borrproverna kommer från berggrunden, från sedimentlagren på havens botten eller från havsvattnet. Det är därför forskarna är så intresserade av det nya borrhålet på Surtsey.

– Det gör berggrunden så mycket mer tillgänglig jämfört med borrprover från havsbottnarna, säger Magnus Ivarsson.

Men även fossilen kan berätta en hel del om hur mikroorganismerna i berggrunden lever.

Den paleobiologiska enheten är belägen i en ekbacke bakom Naturhistoriska riksmuseets pampiga huvudbyggnad, strax norr om Stockholms innerstad. Här har Magnus Ivarsson kontor och laboratorium med kraftiga mikroskop. Han tar fram en liten papplåda med små bitar av vulkanisk berggrund som kommer från djupa borrhål i havsbottnarna. Han väljer ut en oregelbunden sten som är ungefär en halv kubikcentimeter stor och placerar den i ett stereomikroskop.

– Här är ett svampfossil som är 48 miljoner år gammalt.

Mikroskopet avslöjar att det finns en millimeterstor hålighet i stenen. Den innehåller ett ljusbrunt nystan av trassliga små trådar. Det är fossil av mycel, den del av svampen som växer i jorden – det vi ser ovan jord är själva sporkroppen som sprider sporerna. Mitt i det lilla nystanet av svamptrådar syns klumpar som har en mörkare brun färg.

– Det är mikrostromatoliter, fossil av bakterier som antagligen levde av att oxidera järn.

Det finns också spår efter en tredje sorts organism i provet, men den är svår att se i mikroskop.

– Den är dold av lera, men framträder när man röntgar provet med synkrotronstrålning.

Forskarna använder en synkrotron som finns i Schweiz. Det är en rund partikelacceleratorer med en omkrets på närmare 300 meter. Anläggningen skapar röntgenstrålar som är energirika nog för att tränga in i fossil. Det kan ge detaljerade, tredimensionella bilder av proverna.

Magnus Ivarsson visar en sådan bild på sin dator. Den tredje mikroorganismen i det lilla stenprovet syns tydligt. Den ser ut som ett spindelnät uppspänt i svampens mycel.

– Till utseendet påminner den om vissa arkéer som lever av svavel. Men våra kemiska analyser ger inget stöd för att mikroorganismerna i proven levde på det viset. Det är därför troligare att den också oxiderade järn.

Håligheten i stenflisan rymmer alltså spår av tre sorters mikroorganismer, ett litet miniatyrsamhälle vars medlemmar antagligen levde i symbios, för 48 miljoner år sedan. Magnus Ivarsson tror att de svampar och mikroorganismer som i dag finns i havsbottnarnas berggrund lever på ett liknande sätt.

– Svamparna bryter ner och använder sannolikt de järnoxiderande mikroorganismerna som kolkälla, de äter av deras biomassa, i död eller levande form. I gengäld kanske svamparna försörjer de andra mikroorganismerna med koldioxid, eller så erbjuder svampens mycel helt enkelt en skyddad miljö att växa i.

Lådan med stenprover innehåller fler överraskningar. Magnus Ivarsson lyfter försiktigt upp en papperstunn stenbit och placerar den i ett extra kraftfullt mikroskop. Stenbiten kommer från ett 800 meter djupt borrhål i en gammal havsbotten i Sydafrika.

Den lilla stenbiten har ett runt, genomskinligt parti som innehåller svampliknande trådar. Det ser ut som om de är ingjutna i glas. Men det är inte glas, utan ett genomskinligt mineral som kallas kalcit, som ofta bildas i sprickor och hålrum i havens berggrund. Stenprovet är ett tvärsnitt genom en hålighet som fyllts igen med kalcit, så att svampen som levde i håligheten blev inkapslad och bevarad. Det som gör fyndet så speciellt är åldern på själva provet: 2,4 miljarder år. Den rådande uppfattningen är att de första svamparna uppstod för ungefär 1,2 miljarder år sedan.

 – Gruppen svampar är alltså minst dubbelt så gammal som man tidigare har trott. Det förändrar hela synen på svamparnas utveckling – man skulle kunna säga att det till och med förändrar bilden av vad svampar egentligen är.

Den bild som forskarna hittills haft av svamparnas evolution är att de första arterna, som alltså skulle ha uppstått för ungefär 1,2 miljarder år sedan, var frilevande och simmade runt i vatten med hjälp av en liten svans, en så kallad flagell. De här ursvamparna utvecklades sedan till fastsittande arter med mycel och sporkroppar.

– Man har länge ansett att svamparnas utveckling kickade i gång ordentligt först när de lyckades kolonisera land, och att det skedde ungefär samtidigt som växternas landkolonisering. Men våra fynd visar att svamparna var förvånansvärt avancerade redan 2 miljarder år dessförinnan, då de fortfarande levde i berggrunden. Mycket av svamparnas utveckling måste alltså ha ägt rum där och inte på land.

Magnus Ivarsson tillägger att man inte kan vara hundraprocentigt säker på att det faktiskt är svampar man ser i de 2,4 miljarder år gamla fossilen.

– Rent teoretiskt skulle det kunna röra sig om en utdöd grupp av organismer som är förvillande lik svamparna. Därför brukar vi kalla fossilen för svampliknande organismer.

Svamparna tillhör eukaryoterna, vilket innebär att de delar den grundläggande cellstrukturen med växter och djur, men inte med bakterier. De första eukaryoterna anses ha uppstått för ungefär 1,9 miljarder år sedan. Om forskarna lyckas bevisa att det urgamla fossilet verkligen är en svamp, så flyttas tidpunkten för eukaryoternas uppkomst en halv miljard år tillbaka i tiden.

– Det innebär att man skulle behöva rita om en ganska stor bit av livets träd.

Oavsett om forskarna analyserar stenprover från ytliga eller djupa berglager, så hittar de gott om fossil av svampar och andra mikroorganismer. Tekniska begränsningar medför att en kilometer är det maximala djupet för provtagningar i dag. Men Magnus Ivarsson tror att det finns liv i berggrunden längre ner än så.

– Det ser nog likadant ut ner till ett par kilometers djup. Sedan blir det för varmt för mikroorganismerna.

Det innebär att svamparna och deras kompanjoner i underjorden har en enormt stor livsmiljö och att mängden liv där nere sannolikt också är enorm.

– Jag skulle tro att biomassan där nere motsvarar ungefär 40 procent av den vi har på ytan.

Så vad får detta för konsekvenser för livet ovan jord?

– I dagsläget kan vi bara spekulera. Men mikroorganismerna i berggrunden påverkar säkert kemin i haven, som i sin tur påverkar livet på land. Det här är alltså ett led i kretsloppen som vi tidigare inte har tagit hänsyn till och som vi antagligen måste ta med i beräkningarna, när vi väl lärt oss mer om dem.

De små fossilen i berggrunden visar med all tydlighet att liv kan frodas i både oväntade och ogästvänliga miljöer, en upptäckt som har väckt den amerikanska rymdstyrelsen NASA:s intresse.

NASA planerar att skicka en sond till Mars år 2020. Att det skulle finnas liv på planetens yta anses numera osannolikt. Men kanske finns det mikroorganismer i berggrunden.

– Berggrunden på Mars består av samma bergart som jordens havsbottnar, nämligen basalt. Vi vet ju hur spåren efter mikroorganismer i vår berggrund ser ut. Därför kan vi hjälpa NASA att förstå vad de ska leta efter när de väl nått Mars.

Under drygt två decennier har man inom den svenska kärnkraftsindustrin letat efter den perfekta platsen för underjordisk förvaring av uttjänt kärnbränsle. Det har resulterat i åtskilliga djupa borrhål på olika platser i landet. Borrkärnorna från provborrningarna har visats vara en guldgruva för forskare som letar efter liv i den svenska berggrunden.

Henrik Drake är geolog vid Linnéuniversitetet i Kalmar. Tillsammans med Magnus Ivarsson – samt flera andra forskare från respektive universitet – har han analyserat borrkärnor från provborrningar i Laxemar, norr om Oskarshamn. Ett av proverna visade sig dölja ett fossil av en svamp som en gång i tiden levde på över 700 meters djup i urberget.

– När jag visade fyndet för Magnus blev han omedelbart övertygad om att det var svamp jag hittat, eftersom fyndet stämde så väl överens med vad han sett i oceanskorpan.

Till skillnad från havsbottnarnas berggrund, så finns det säkra bevis på att fritt syre försvinner redan i det översta tiotalet meter av den kontinentala berggrunden. Svampen som Henrik Drake hittade – som är delvis fossilerad och sannolikt tiotals miljoner år gammal – måste därför ha varit anaerob, vilket innebär att syre var giftigt för den.

Det går att hitta anaeroba svampar ovan jord, närmare bestämt i magarna på kor och andra idisslande däggdjur.

– Mikroorganismerna i komagar kan alltså användas som modell för hur svamparna i berggrunden lever, säger Magnus Ivarsson.

När de anaeroba svamparna i komagen bryter ner växtmaterial bildas vätgas. Komagen innehåller metanogener, arkéer som använder vätgas och koldioxid för sin matsmältning. Metanogenerna ger i sin tur ifrån sig metangas. Svamparnas tillväxt hämmas av vätgasen som de själva producerar. Därför gynnas de av metanogenernas närvaro – svamparna och metanogenerna lever alltså i symbios.

Svamparna i komagen har fri tillgång till kol från gräset som kon äter. Men så är det inte för de svampar som lever djupt nere i berggrunden.

– Ner till ungefär 400–500 meters djup använder en stor del av mikroorganismerna organiskt kol som grundvattnet tar med sig ner. Men på ännu större djup finns inget sådant kol, eller så är det kol som finns tillgängligt mycket svårt att bryta ner. Där tror man att det är vätgas som driver systemet. Men det har varit svårt att förklara var all vätgas kommer ifrån. Så när vi hittade svamp, som alltså tillverkar vätgas, ramlade polletten ner, säger Henrik Drake.

Bilder tagna via elektronmikroskop avslöjar att svampen från Laxemar växte ut från en matta av bakterier, en biofilm. Där finns också kristaller av ett mineral som kallas pyrit. Det indikerar att det rör sig om svavelreducerande bakterier. De utvinner energi från sulfat som finns i vattnet runt omkring dem. Sulfatet omvandlas till svavelväte genom reduktion. Det innebär att det tar emot elektroner från koldioxid och vätgas, som därmed oxideras. Svavelväte, tillsammans med järnjoner, kan sedan bilda pyrit.

Mineralet pyrit kan bildas även utan hjälp från svavelreducerande bakterier, men får då en annan sammansättning av isotoper. Men isotopsammansättningen i stenprovet från Laxemar visar helt klart att det var svavelreducerande bakterier som gav upphov till pyritkristallerna, berättar Henrik Drake.

– Vi kan se att biofilmen fanns där innan svampen kom dit. Svampen levde sannolikt av att bryta ner biofilmen. Vi kan också se att det har bildats pyrit i en biofilm på själva svampen. Det visar att svampen och bakterierna hade ömsesidig nytta av varandra.

Svampen från Laxemar är för närvarande det enda dokumenterade fyndet från det svenska urbergets djup – och det var egentligen en slump att Henrik Drake gjorde fyndet.

– Jag är ju geolog och var främst intresserad av de kristaller jag såg i borrkärnans sprickor. Det var först när jag öppnade upp en spricka som jag insåg att det fanns något väldigt speciellt inuti den. Men nu när jag vet vad jag ska leta efter, är jag övertygad om att jag kommer att hitta fler.

Svenska forskare har alltså visat att det finns svamp i berggrunden både under haven och i den kontinentala berggrunden – i hela jordskorpan med andra ord. Nu gäller det att få tag på levande svampar, så att deras ekologi och samarbete med andra mikroorganismer kan studeras i detalj. Det är därför som borrhålet på Surtsey är så viktigt för forskarna.

– Det går att ta upp prover från olika djup i borrhålet och även göra kontrollerade experiment. Man kan exempelvis placera olika mineral på olika djup i borrhålet och studera vilka organismer som koloniserar dem, säger Magnus Ivarsson.

Forskarna har placerat en mätstation ovanpå hålets mynning. Den analyserar de geokemiska processer som pågår i hålet. På så sätt kommer forskarna att få mer information om de ämnen som frigörs och tas upp av mikroorganismerna och vad dessa lever av i den syrefria och näringsfattiga miljön.

I arbetsrummet på Naturhistoriska museet har Magnus Ivarsson precis fått mejl från Surtsey med närbilder på borrkärnorna från borrhålet. På en av bilderna finns en liten ljus struktur som verkar sitta fast på den skrovliga stenytan. Magnus Ivarsson betraktar den länge innan han till slut utbrister:

– Det där kan mycket väl vara en levande svamp. Men jag måste undersöka det närmare innan jag kan vara helt säker.