Geology Rocks - část 5. - Geomikrobiologie

Geologie je věda zabývající se studiem stavby, složení a historického vývoje naší planety. Věnuje se v podstatě zkoumání materiálů, jež tvoří Zemi, a jednotlivé struktury na ní. Dělí se do mnoha podoborů, obecně bychom však mohli říci, že jsou rozděleny na geologii fyzickou a historickou. Fyzická geologie, ať už jde o podobory strukturální či například sedimentární geologii, se zabývá fyzickými strukturami Země a procesy, ke kterým v nich dochází. Věnuje se sopkám, horninám, skalám či pohořím. Naopak historická geologie se věnuje studiu formace naší planety v průběhu milionů a miliard let jejího vývoje. Podoborů geologie je samozřejmě mnoho, toto nám však bude zatím stačit k jednoduchému rozdělení geologie na jakési dva celky.

Tato věda o Zemi je disciplínou velmi komplexní. Přinesla však lidstvu nesmírně důležité poznatky o světě, jenž nazýváme svým domovem. A tyto poznatky jsou vskutku fascinující. Vkročme tedy prostřednictvím této série článků do světa geologie, a seznamme se s ním. Věřte mi, nebudete litovat. Geology rocks!

GEOLOGY ROCKS

část 5.

Geomikrobiologie

Geomikrobiologie je vědní obor, který kombinuje studium a metody geologie a mikrobiologie, přičemž se zabývá rolí mikrobů v geologických a geochemických procesech a dopadem, který má mikrobiální růst na minerály, kovy a případně také ostatní látky. Interakce mezi mikroskopickými živoucími organismy a neživou přírodou, jež pak mají vliv v podstatě na celý koloběh života, nastávají jak v geosféře, tak i v hydrosféře a atmosféře. Vědět o tom, jak mikroorganismy řídí biochemické cykly na naší planetě, je pro nás nesmírně důležité. Je naprosto nutné pro nás znát jak se vypořádat s mikroorganismy v zásobách pitné vody či ve vodách podzemních. Mimoto však samozřejmě výsledky geomikrobiologických studií poskytují opěrný bod pro výzkum v oborech mineralogie či paleontologie. Z geologického materiálu z jiných planet je možné vyčíst, zda byl nějakým způsobem ovlivněn mikroskopickými organismy, díky čemuž jsme schopni zjistit, zda život existuje i jinde ve vesmíru.

Mikroorganismy mají dlouhodobý vliv na utváření některých geologických struktur. Obecně se například ví, že některé z nich rozpouštějí horniny ve vodě, čímž výrazně ovlivňují její pitnost. Čím více "pracují" na rozkládání hornin ve zvodni, podzemní zásobárně vody v hydrogeologickém kolektoru, tím může být voda "špinavější". Činnost mikrobů na oceánské kůře ovlivňuje nejen chemické složení mořské vody, ale také celkovou produktivitu oceánu. Některé mikroorganismy jsou schopny bioremediace, tedy přetváření toxických látek na látky netoxické, čímž jsou využitelní při dekontaminaci sladkých vod. 

Na obrázku vidíte jednobuněčného bičíkovce druhu Gephyrocapsa oceanica z kladu Haptophyta. Tyto řasy se mohou výrazně podílet na propadu uhlíku během procesu oceánské acidifikace. Propad uhlíku je v podstatě rezervoár, ať už přírodní či umělý, který jednoduše přijímá víc uhlíku než ho vydává. Problémem je, že okyselování oceánů přináší do mořského či oceánského prostředí antropogenický oxid uhličitý, a ten negativně ovlivňuje kokolitky (Coccolithophorida), jako je G. oceanica, dírkonošce - amoeboidní protisty ze skupiny Foraminifera - ale také mnohobuněčné organismy, kupříkladu pelagické plže ze skupiny Pteropoda. Pro všechny tyto uvedené organismy platí, že nashromažďují vápník; provádějí proces kalcifikace, a vytvářejí si ochranný obal z uhličitanu vápenatého. Tím pak významně ovlivňují geologické složení oceánského dna. Problémem je, že okyselování oceánů má výrazný vliv na sekvestraci uhlíku z atmosféry do oceánu a sedimentů na jeho dně. Výzkum mikroorganismů, jako je G. oceanica, nám může o tomto fenoménu mnohé prozradit.

Tento druh řasy je také významný v biostratigrafii; tvoří jakýsi vytyčovací sloupek pro epochu pleistocénu. Ovšem ještě důležitější jsou v tomto ohledu již výše zmínění dírkonošci. Tito mořští prvoci existují na naší planetě už bezmála 542 milionů let, a za tu dobu měly na tvorbě hornin na naší planetě vskutku ohromný podíl. Například dírkonošci z řádu Fusulinida, kteří žili v obdobích karbonu a permu, tedy v pozdních prvohorách, vytvářeli tvrdé schránky ze sekretovaného mikrogranulárního kalcitu. Přestože se této skupině protistů nepodařilo přežít největší vymírání, jež kdy naši planetu postihlo, tedy strašlivé kataklyzma na přelomu permu a triasu, ovlivňovali geologii naší planety po nějakých sto milionů let, a to už je co říct. V některých místech naší planety po sobě zanechali velké množství vápence. 

Většina těchto dírkonošců, mj. tedy i proslulý rod Fusulina, se jednoduše označují jako bentické foraminifery. Někteří ze zástupců skupiny Fusulinida, žijící na dně moří i brakických vod, byli skutečně obrovští; měřili 5 až 14 centimetrů, šlo tedy o největší dírkonošce, kteří kdy existovali. Množství vápníku, které byl jediný exemplář schopen za život nashromáždit, muselo být vskutku úctyhodné. Mimo bentické dírkonošce existují i typy planktonní. Vyskytují se od svrchní jury. Jsou známi tím, že na vrcholcích středooceánských hřbetů tvoří zvláštní krustu, jež na první pohled může připomínat sníh. Vrcholky takových výstupků zemské kůry jsou tedy i pod vodou "zasněžené", obdobně jako vrcholky horských gigantů na souši, původ jejich "sněhu" nicméně nemůže být odlišnější. Planktogenní dírkonošci vytvářejí tzv. foraminiferové kaly, ke kterým za jeden tisíc let přibývá až osmicentimetrová vrstva. Kupříkladu sedimenty České křídové pánve byly utvořeny planktogenními foraminifery. Fosilních dírkonošců je známo přes 10 000, popsaných žijících druhů je pak čtyřikrát více! Jejich vliv na utváření naší planety, řekneme-li to takto, je vskutku gigantický. Mimoto jsou samozřejmě důležitými biostratigrafickými indikátory, a to tedy od svrchního devonu až po současnost.

Vskutku pozoruhodným a v budoucnu možná potenciálně využitelným fenoménem, za kterým některé mikroorganismy stojí, je přeměna či chemická redukce kovových iontů z jednoho elektronového stavu do jiného. Touto schopností jsou obdařeny některé bakterie, jež takovou redukci využívají pro získání energie. Vedlejším produktem takového procesu je ovšem přeměna kovu v rudnou horninu, či konkrétně rudný minerál. Ruda samozřejmě obsahuje kovové prvky, ale bakterie ji mohou doplnit i o silikáty či sulfidy. Předpokládá se, že některá ložiska zlata, mědi, železa či uranu byla vytvořena mikroby, konkrétně tedy bakteriemi, a nakonec jsou nesmírně důležitá pro nás, lidi, a pro náš život. Takto tedy mikroby ovlivňují geologické procesy, čímž vytvářejí jakousi vlnu důsledků, z níž těží i jiní živí tvorové. Mimoto se poznatky o mikrobiálních procesech, jež geomikrobiologové získávají, využívají při zkoumání zemního plynu. 

Na tomto obrázku vidíte autunit, radioaktivní fosfátový minerál, jenž se řadí k uranovým rudám. Biomineralizace je neskutečně důležitým procesem; výše zmínění dírkonošci či kokolitky jsou zodpovědní za tvorbu kalcitu, rovněž tak jsou významné i rozsivky (Diatoma) a mřížovci (Radiolaria), jež vytvářejí opál. Dírkonošci a kokolitky tedy ovlivňují karbonáty, rozsivky a mřížovci zase silikáty. Biotransformace kovů a minerálů se však studují ještě z jednoho důvodu. Některé mikroby totiž mohou mít využití při odstraňování radioaktivního odpadu a tedy i vyklizení kontaminovaného přírodního prostředí. 

Seznamte se s nejhouževnatější bakterií na světě. Jmenuje se Deinococcus radiodurans. Patří do malého kmene Deinococcus-Thermus neboli Deinococci, a jedná se o polyextremofila. Jednou z oblastí geomikrobiologie je totiž studium extremofilních organismů, tedy mikroorganismů, které přežívají v prostředí, jež je pro ostatní život až příliš nehostinné. A jsou-li některé z extremofilních bakterií schopny snést prakticky to nejhorší, pak je Deinococcus radiodurans jejich šampiónem. Vlastně je v přežití v tom nejhorším pekle tak dobře uzpůsobená, že jí to vyneslo i titul v Guinessově knize rekordů. Je schopna přežít v kyselině, ve vakuu, v extrémním mrazu i v prostředí zcela a naprosto zbaveném vody. I kdyby všechen život z naší planety smetla nukleární katastrofa, D. radiodurans by nejspíše přežila. Ostatně proto je její druhové jméno radiodurans; z vědeckých experimentů víme, že přežije i dávku gama záření o hodnotě 15 000 grayů. To je mimochodem desetitisíckrát víc, než by zabilo člověka. Při takovém ozáření se sice rozláme její DNA, ale ke všemu překvapení se jí v průběhu několika hodin po vystavení záření zase opraví. Je to naprosto neuvěřitelný důkaz toho, že život na Zemi je schopen se udržet i při tom nejhorším.

Proč však o této bakterii mluvíme v souvislosti s odstraňováním radioaktivního odpadu? Čeho je navíc ještě schopna mimo přežití v takovém prostředí? D. radiodurans může být v laboratoři geneticky upravena k tomu, aby konzumovala a trávila těžké kovy v radioaktivním prostředí. Do DNA této bakterie byl při pokusech vložen gen se rtuťovou reduktázou, kterým disponuje koliformní bakterie Escherichia coli, a jenž je schopen detoxikovat zbytky rtuťových iontů v radioaktivním odpadu z nukleárních zbraní. Tato studie, provedená v roce 2006 indickými vědci včetně doktorky Deepti Appukuttanové, ukázala, že D. radiodurans skutečně dokáže po genetické úpravě ničit radioaktivní materiál. Něco takového by mohlo mít velké využití v budoucnosti.

Jak již bylo zmíněno, extremofily se geomikrobiologie hojně zaobírá. Ne všechny jsou tak durabilní jako tato "bakterie Conan", jsou však schopny přežít v extrémním prostředí, a to je činí přinejmenším velice zajímavými. Nádherné barvy horkých pramenů v Grand Prismatic Spring v Yellowstonském národním parku, jež jsou opravdovou pastvou pro oči, samozřejmě vytvářejí termofilické bakterie. Na březích tohoto na minerály bohatého horkého pramene, jehož průměrná teplota dosahuje 70°C, si vytvářejí mikrobiální "rohože". Ty nesou v podstatě všechny barvy duhy, množství té či oné barvy však určují chlorofyly a karotenoidy bakterií. Mimoto má samozřejmě na barvu vliv i teplotní gradient v odtoku vody. V létě nicméně bývají tyto "rohože" červené či oranžové, kdežto v zimě zase nesou barvu tmavě zelenou. Tmavě modrá barva vody ve středu jezera už bakteriemi udávána není; za to už může naprostá čistota a hloubka vody.

Jiní pozoruhodní extremofilové, jež mají na své prostředí velký vliv, byli objeveni v roce 2019 v dole Kidd Mine v kanadském Ontariu. Žijí 2400 metrů pod zemí, a dýchají sírany. Jsou schopni anaerobní respirace, při níž sulfáty redukují na sulfany. Energii získávají "požíráním" minerálů jako je pyrit. Neživí se vůbec organickými látkami, energii získávají pojídáním minerálů, což nám asi není úplně blízké; kameny bychom k večeři nejedli. I takovými organismy a jejich vlivem na neživou přírodu, na horniny, nerosty a minerály se geomikrobiologie zabývá.

Co se týče hledání života ve vesmíru, mohou geomikrobiologové využívat dat o mikrobiálních procesech a jejich vlivu na horniny zde na Zemi, a porovnávat výsledky takových procesů se strukturami na horninách z jiných planet, kupříkladu z Marsu. Například takové stromatolity, skutečná paleontologická klasika, patří mezi nejjasnější důkazy o životě sinic na Zemi před více než třemi miliardami let. Podobná paleoenvironmentální data nicméně asi z nám blízkých planet hned tak nezískáme, existoval-li na nich vůbec život podobný tomu zemskému. Avšak kdo ví, možná někdy v budoucnu bude na Marsu objevena hornina, jež bude nést známky o rozkládání jakýmisi mimozemskými mikroby. Dokážete si to představit? Léta už se také spekuluje o tom, že některé mikroby mohou přežít na kometách. Takoví extremofilové mohli dle některých, jež zastávají teorii vzniku zemského života mimo naši planetu a jeho následného přemístění sem pomocí meteoritu, představovat onen důležitý bod v počátku vývoje živých organismů. Toto vše jsou ale jen spekulace, domněnky, jež nebyly potvrzeny. Geomikrobiologie nám však na otázky s těmito a mnoha dalšími tématy spojenými dokáže poskytnout odpovědi.