De tropopauze fungeert als een barrière voor de vrije beweging van deeltjes boven 17 km, waardoor dergelijk transport van de aarde naar de stratosfeer erg moeilijk is[1].
De troposfeer, de tropopauze en de stratosfeer.
Een van de weinige gedocumenteerde gebeurtenissen die de tropopauze kunnen "doorbreken," en mogelijk micro-organismen van het aardoppervlak naar de stratosfeer kunnen transporteren, zijn zeer grote vulkaanuitbarstingen[2].
Maar de hypothese van grote vulkaanuitbarstingen werd verworpen omdat twee wetenschappelijke studies die de aanwezigheid van micro-organismen in de stratosfeer vaststelden, twee jaar of meer na de laatste grote vulkaanuitbarstingen werden uitgevoerd[3]. Het is bekend dat al het vulkanisch stof binnen twee jaar of eerder naar de lagere atmosfeer zakt[4].
De uitbarsting van de Etna in 2015. De hevigste van de afgelopen 20 jaar. De rookpluim die de tropopauze bereikte, werd geblokkeerd, vandaar de karakteristieke paddestoelvorm.
[In 1936] was de bemande Amerikaanse luchtballon Explorer II de eerste sonde die luchtmonsters nam en de stratosfeer bereikte (tot 21 kilometer boven zeeniveau). Er werden verschillende levensvatbare microben aangetroffen, behorend tot de geslachten Bacillus, Macrosporium, Aspergillus, Penicillium en Rhizopus[5].Overigens werden bij dit experiment al monsterbuizen met autoclaaf gebruikt, waardoor de mogelijkheid van aardse verontreiniging werd uitgesloten.
In de jaren 1960 vlogen ballonnen nog hoger - op 30 kilometer of hoger - en bleven positieve microbiële identificatieresultaten aanleveren:
Hoewel de microbiologische methoden die destijds beschikbaar waren nog vrij primitief waren vergeleken met moderne methoden, waren er al een aantal intrigerende aanwijzingen voor de aanwezigheid van buitenaardse microben in luchtmonsters die op 30 km en hoger waren verzameld (Bruch, 1967). De ontdekking van micro-organismen op 39 km hoogte en populatiedichtheden die toenamen met de hoogte wezen op een mogelijk buitenaardse oorsprong[6].In de jaren 1970 werd de ontdekking van micro-organismen verder bevestigd door de analyse van stof dat verzameld werd tijdens stratosferische vluchten van U2-spionagevliegtuigen:
In de jaren 1970 werden vluchten op grote hoogte (U2-vliegtuigen) gebruikt om ze te verzamelen uit de lagere stratosfeer, op 18-20 km hoogte, op geoliede platen die werden blootgesteld aan de buitenkant van vliegtuigen die met ~200 m/s vlogen. Deze methode had te lijden onder het probleem van verontreiniging, verbrokkeling van de deeltjes en een vooroordeel tegen kleine lichte deeltjes (die de neiging hebben om met de luchtstroom mee te worden gevoerd). Bovendien moeten originele interplanetaire deeltjes zorgvuldig worden ontdaan van aardse verontreiniging.
Deze zogenaamde Brownlee-deeltjes, die meestal de vorm hadden van een mechanisch mengsel van kiezelachtig stof, bleken buitenaardse organische moleculen te bevatten die voor wat betreft complexiteit en diversiteit vergelijkbaar waren met die van de Murchison-meteoriet. In een paar gevallen werd microbiële morfologie in individuele Brownlee-deeltjes ontdekt.[7]
© WickramasingheKoolstofstructuur in micronformaat in een Brownlee-deeltje vergeleken met een microbieel fossiel.
In de jaren 1970 verzamelden A. A. Imshenetsky en zijn collega's luchtmonsters van nog grotere hoogten, van de stratosfeer tot de mesosfeer (48 tot 85 km boven zeeniveau), met behulp van met gammastraling gesteriliseerde meteorologische raketten, en bestudeerden de kenmerken van de geïsoleerde bacteriestammen en schimmels[9].In 2001 werd een soortgelijk experiment uitgevoerd in de stratosfeer boven India. Dit resulteerde in de identificatie van drie micro-organismen, twee bacteriële en één schimmelsoort:
In 2001 rapporteerde een team van Indiase en Britse onderzoekers onder leiding van Chandra Wickramasinghe dat luchtmonsters boven Hyderabad, India, die op 21 januari 2001 door de Indian Space Research Organisation (ISRO) uit de stratosfeer waren verzameld, clusters van levende cellen bevatten. Wickramasinghe noemt dit "onweerlegbaar bewijs voor de aanwezigheid van clusters van levende cellen in luchtmonsters vanaf een hoogte van 41 kilometer, waarboven lucht van lagere niveaus normaal gesproken niet wordt getransporteerd." Uit deze filters werden later twee soorten bacteriën en één schimmelsoort onafhankelijk van elkaar geïsoleerd. Deze werden geïdentificeerd als respectievelijk Bacillus simplex, Staphylococcus pasteuri en Engyodontium album[10].In 2005 werden luchtmonsters genomen op hoogtes boven 40 kilometer[11]. De resultaten waren onverwacht - er werden niet alleen 15 verschillende bekende soorten micro-organismen geïdentificeerd, maar ook drie soorten bacteriën[12] die tot dan toe op aarde onbekend waren:
In 2005 voerde de Indian Space Research Organisation een verbeterd experiment uit. Op 20 april 2005 werden luchtmonsters genomen uit de bovenste atmosfeer op hoogtes variërend van 20 km tot meer dan 40 km. De monsters werden door twee laboratoria in India onderzocht. De laboratoria troffen in deze monsters 12 soorten bacteriën en 6 soorten schimmels aan. Onder de schimmels bevonden zich Penicillium decumbens, Cladosporium cladosporioides, Alternaria sp. en Tilletiopsis albescens. Van de 12 bacteriële monsters werden er 3 geïdentificeerd als nieuwe soorten en benoemd als Janibacter hoylei (naar Fred Hoyle), Bacillus isronensis (naar ISRO) en Bacillus aryabhattai (naar de oude Indiase wiskundige Aryabhatta). De drie nieuwe soorten bleken beter bestand tegen UV-straling dan vergelijkbare bacteriën[13].Het jaar daarop werd de lucht opnieuw bemonsterd - boven India. Uit deze stratosferische luchtmonsters werden niet alleen nog eens vier onbekende bacteriesoorten geïdentificeerd, maar sommige van de verzamelde micro-organismen bleken ook levensvatbaar te zijn, ondanks de extra belasting van koeling tijdens het verzamelen en het gebruik van een zeer beperkt aantal voedingsstoffen:
Het verzamelen van monsters bij lage temperaturen in de stratosfeer boven Hyderabad (India) maakte de identificatie mogelijk van vier nieuwe soorten van het genus Bacillus: B. aerius sp. nov., B. aerophilus sp. nov., B. stratosphericus sp. nov. en B. altitudinis sp. nov. In veel studies zoals deze, hing de keuze van de gekweekte microben af van de verzamelmethode (cryobuizen werden gespoeld met buffer die vervolgens werd aangebracht op voedingsbodem) in een bepaald geval en het gebruikte medium (bijv. Luria-Bertani-agar of voedingsbodem), waardoor in feite alleen bepaalde microben konden worden teruggewonnen en gekweekt[14].Het aantal bacteriestammen, archaea[15] en schimmels dat in de stratosfeer en daarboven werd aangetroffen, is dermate indrukwekkend dat DasSarma et al. een onvolledige lijst samenstelden:
© DasSamaLijstLijst van micro-organismen die in de stratosfeer voorkomen.
Ballonvluchten die sinds de jaren 1990 werden gelanceerd door de Indian Space Research Organisation (ISRO) bereikten aanvankelijk hoogtes van ~30 km om monsters te nemen van chloorfluorkoolwaterstoffen in de stratosfeer. De bevroren lucht werd verzameld in stalen cilinders met volledig metalen kleppen (op afstand bediend) en ondergedompeld in vloeibaar neon. Recente vluchten hebben hoogtes van 40 tot 45 kilometer bereikt, waarbij alle apparatuur ultrazuiver en steriel was om verontreiniging te beperken. In januari 2001 werd deze methode gebruikt om aseptisch zuiver komeetstof te verzamelen met behulp van cryosondes die aan boord van ballonnen naar een hoogte van 41 km vlogen[16].Samenvattend kunnen we stellen dat we enerzijds meteorieten hebben die direct nieuwe micro-organismen met zich meevoeren, waaronder virale zoals aangetoond in het vorige hoofdstuk, en anderzijds hoge lagen van de aardse atmosfeer die verzadigd zijn met micro-organismen zoals we in dit hoofdstuk hebben aangetoond. Zou het laatste een gevolg kunnen zijn van het eerste? Kunnen meteorieten die door de atmosfeer richting de aarde suizen de afzetting van micro-organismen in de atmosfeer bewerkstelligen?
Toeval of niet, juist in de mesosfeer - waar herhaaldelijk micro-organismen werden aangetroffen - beginnen meteoren te fragmenteren:
Een verscheidenheid aan microben, waaronder stralingsbestendige microben, werd aangetroffen in de bovenste laag van de atmosfeer op hoogtes variërend van 41 km tot 77 km[17] en dus zowel in de stratosfeer als in de mesosfeer, die extreem droog, koud (-85 °C) en zuurstofvrij is. In de mesosfeer beginnen meteoren te fragmenteren tijdens hun reis naar de aarde[18].Men zou kunnen stellen dat microben op zulke hoogten vernietigd zouden worden door de omringende kou, het vacuüm en de straling, maar het blijkt dat sommige microben anaeroob[19] en bestand tegen bevriezing[20] zijn:
© S. GrossmannMicroscopische foto van psychrofiele (koudeminnende) bacteriën.
In 1960 rapporteerden Fowler et al. een soort Pseudomonas die leefde in een nucleaire onderzoeksreactor waar de gemiddelde stralingsdosis werd geschat op meer dan een miljoen rad.[22][23]Evenzo werd herhaaldelijk aangetoond dat virussen kunnen overleven in buitenaardse omgevingen, zoals bij lage temperaturen, microzwaartekracht, vacuüm en intense straling[24].
Het lijkt er dus op dat sommige micro-organismen prima in staat zijn om in ruimteomstandigheden te overleven. Kennelijk kwam er een einde aan de discussie over de levensvatbaarheid van micro-organismen in de stratosfeer toen metabolisch actieve microben in de stratosfeer werden gelanceerd en terugkeerden naar de aarde. Deze cellen bleven levensvatbaar[25] na hun reis naar de stratosfeer.
Nu we weten dat sommige micro-organismen ruimtereizen maken, rijst de volgende vraag: hoeveel daarvan komen er op aarde terecht? Naar schatting valt er dagelijks een enorme hoeveelheid stratosferisch puin op aarde:
Met een dagelijkse neerslag van komeetpuin van gemiddeld zo'n 500 ton, moet de mogelijkheid om neerdalende microben op te sporen zeker bestaan.[26]Correlerend met de aanzienlijke neerslag van komeetpuin is de afzetting van micro-organismen op aarde ook enorm:
Hier tonen we aan dat zelfs in een ongerepte omgeving, boven de atmosferische grenslaag, de neerwaartse flux van virussen varieerde van 0,26 × 109 tot 7 × 109 per m2 per dag. Deze neerslagsnelheden waren 9 tot 461 keer hoger dan die voor bacteriën, die varieerden van 0,3 × 107 tot 8 × 107 per m2 per dag[27].Dat leest u goed. Elke dag vallen er op elke vierkante meter ongeveer een miljard virussen uit de lucht[28]. Een voorbeeld dat wat meer tot de verbeelding spreekt: in een land als Canada komt deze verbazingwekkende neerslagdichtheid neer op 25 virussen die dagelijks per inwoner uit de lucht vallen:
"Elke dag worden er meer dan 800 miljoen virussen per vierkante meter boven de planetaire grenslaag afgezet - dat zijn 25 virussen voor elke persoon in Canada," zegt viroloog Curtis Suttle van de Universiteit van British Columbia, een van de hoofdauteurs van een studie in het Journal of the International Society for Microbial Ecology waarin de bevindingen van het onderzoek worden beschreven.[29]Nu we weten dat micro-organismen, waaronder virussen, aanwezig zijn in zowel materiaal dat afkomstig is van kometen als in de hogere atmosfeer, rijst de vraag: waar komen deze virussen vandaan? Waar ligt hun oorsprong?
Het volgende hoofdstuk probeert enkele antwoorden op deze vragen te geven.
[1] Wickramasinghe, Chandra et al. (2013) "Diseases From Space: Astrobiology, Viruses, Microbiology, Meteors, Comets, Evolution" Cosmology Science Publishers
[2] Pitari, Giovanni et al. (2016) "Impact of Stratospheric Volcanic Aerosols on Age-of-Air and Transport of Long-Lived Species" Atmosphere 7. 149. 10.3390
[3] Wickramasinghe, 2013
[4] De levensduur van aerosoldeeltjes (zoals die bij vulkaanuitbarstingen vrijkomen) in de stratosfeer wordt berekend op 1 tot 2 jaar
[5] DasSarma P. et al. (2020) "Earth's Stratosphere and Microbial Life" Curr Issues Mol Biol. 38:197-244
[6] Burdyuzha, 2006
[7] Wickramasinghe et al. (2010) "Bacterial morphologies in carbonaceous meteorites and comet dust" Proc. SPIE 7819
[8] 53 mijl
[9] DasSarma P., 2020
[10] Wikipedia contributors (2022) "Panspermia" Wikipedia
[11] 25 mijl
[12] Shivaji, S. et al. (2009) "Janibacter hoylei sp. nov., Bacillus isronensis sp. nov. and Bacillus aryabhattai sp. nov., isolated from cryotubes used for collecting air from upper atmosphere" International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology. 59 (Pt 12): 2977-86
[13] Ibid
[14] DasSarma P. et al. (2020) "Earth's Stratosphere and Microbial Life" Curr Issues Mol Biol. 2020;38:197-244 [15] Een groep micro-organismen die lijken op, maar evolutionair verschillen van bacteriën
[16] Wickramasinghe, Chandra et al. (2010) "Bacterial morphologies in carbonaceous meteorites and comet dust" Instruments, Methods, and Missions for Astrobiology XIII, vol. 7819, pp. 299-315
[17] 25 to 48 mijl
[18] Joseph R. (2010) "Comets and Contagion: Evolution, Plague, and Diseases From Space" Research Gate
[19] Díaz EE. et al. (2006) "Phenotypic properties and microbial diversity of methanogenic granules from a full-scale upflow anaerobic sludge bed reactor treating brewery wastewater" Appl Environ Microbiol. 72(7):4942-9
[20] Torosian S. et al. (2009) "A refrigeration temperature of 4 °C does not prevent static growth of Yersinia pestis in heart infusion broth" Canadian journal of microbiology 55. 1119-24. 10.1139
[21] Singh, O. and Gabani, P. (2011) "Extremophiles: radiation resistance microbial reserves and therapeutic implications" Journal of Applied Microbiology 110: 851-861
[22] Hoover, R.B. et al. (1986) "Diatoms on earth, comets, Europa and in interstellar space" Earth Moon Planet 35, 19-45
[23] Ter vergelijking: een dosis van 1000 rad is voor mensen vrijwel altijd dodelijk
[24] Pavletić B et al. (2022) "Spaceflight Virology: What Do We Know about Viral Threats in the Spaceflight Environment?" Astrobiology 22(2):210-224
[25] DasSarma, S. and DasSarma, P. (2018) "Survival of microbes in Earth's stratosphere" Current Opinion in Microbiology 43, 24-30
[26] Vladimir Burdyuzha (2006) "The Future of Life and the Future of our Civilization" Springer
[27] Isabel Reche et al. (2018) "Deposition rates of viruses and bacteria above the atmospheric boundary layer" The ISME Journal
[28] 10 vierkante voet
[29] Ibid
Commentaar: Lees ook:
Massa-Extincties, Evolutionaire Sprongen en Virale Informatie