Gli idrocarburi svolgono un ruolo chiave nell'atmosfera e nella biogeochimica, l'economia energetica, e cambiamento climatico. La maggior parte degli idrocarburi si forma in ambienti anaerobici attraverso l'alta temperatura o la decomposizione microbica della materia organica. I microrganismi possono anche "mangiare" idrocarburi nel sottosuolo, impedendo loro di raggiungere l'atmosfera. Utilizzando una nuova tecnica sviluppata presso l'Earth-Life Science Institute (ELSI), un team internazionale guidato dai professori del Tokyo Institute of Technology Alexis Gilbert, Naohiro Yoshida e Yuichiro Ueno mostrano che la degradazione biologica degli idrocarburi conferisce una firma biologica unica. Questi risultati potrebbero aiutare a rilevare la biologia del sottosuolo e comprendere il ciclo del carbonio e il suo impatto sul clima.

L'umanità sfrutta le vaste riserve di idrocarburi della Terra come una delle sue principali fonti di energia. I modi in cui il carbonio viene fissato e processato durante la formazione di questi serbatoi hanno importanti conseguenze per l'esplorazione delle risorse. Inoltre, il rilascio di idrocarburi dai giacimenti sotterranei della Terra può avere importanti implicazioni sul clima terrestre, poiché gli idrocarburi leggeri come il metano sono potenti gas serra. Gli scienziati vorrebbero comprendere il ruolo potenzialmente importante che l'enorme biosfera del sottosuolo terrestre potrebbe svolgere nel comportamento dei giacimenti profondi di idrocarburi. Ad oggi, è stato difficile stimare quanti idrocarburi sono stati colpiti da microrganismi del sottosuolo.

Gilbert e colleghi hanno superato questa difficoltà utilizzando un nuovo metodo sviluppato presso ELSI che consente la misurazione dei rapporti isotopici di carbonio stabili specifici per la posizione. Gli idrocarburi sono per lo più lunghe catene di atomi di carbonio attaccate ad atomi di idrogeno, ma il carbonio ha due isotopi naturalmente abbondanti (tipi di atomo di carbonio con diverso numero di neutroni, e quindi masse diverse, che può essere misurato), carbonio-12 ( ¹² C) e carbonio-13 ( ¹³ C). A causa dei modi in cui gli organismi formano le molecole che alla fine diventano idrocarburi ambientali, il rapporto di ¹² C/ ¹³ C per ogni posizione specifica dell'atomo di carbonio in un idrocarburo può essere unico. La ricerca qui si è concentrata sul propano, una molecola di idrocarburo di gas naturale contenente tre atomi di carbonio.

I ricercatori hanno somministrato propano ai microrganismi in laboratorio per misurare la specificità ¹² C/ ¹³ La firma C ha prodotto questi organismi, e misurato i cambiamenti non biologici che si sono verificati quando il propano viene scomposto ad alte temperature, un processo noto come "cracking". Hanno quindi utilizzato queste misurazioni di base per interpretare campioni di gas naturale dagli Stati Uniti, Canada e Australia, consentendo loro di rilevare la presenza di microrganismi utilizzando il propano come "cibo" nei giacimenti di gas naturale, e quantificare la quantità di idrocarburi mangiati dai microrganismi. "Quando ho iniziato ad analizzare i campioni degli esperimenti di simulazione batterica, corrispondevano perfettamente a quanto osservato sul campo, suggerendo la presenza di batteri che degradano il propano nei giacimenti di gas naturale, " ha osservato Gilbert. Così, questo studio ha rivelato la presenza di microrganismi che sarebbe stato difficile rilevare con metodi convenzionali, e apre una nuova finestra sulla comprensione del ciclo globale degli idrocarburi.

"Ero particolarmente interessato a decifrare i processi biologici da quelli non biologici legati alle molecole organiche. Questa domanda ha implicazioni per l'origine della vita, per il rilevamento della vita nell'Universo, ma anche per la nostra comprensione della biosfera e della sua evoluzione sulla Terra, " dice Gilbert. Questo studio ha anche importanti implicazioni con il cambiamento climatico globale, poiché il propano e altri idrocarburi sono gas serra e inquinanti. Sebbene il team non abbia tentato di quantificare la quantità di idrocarburi "mangiata" dai microrganismi su scala globale, ritengono che il loro approccio consentirà tale quantificazione nel prossimo futuro, e suggeriscono che ciò andrà a beneficio dei modelli che mirano a quantificare il ciclo globale degli idrocarburi.

Finalmente, Gilbert aggiunge, in futuro questo tipo di approccio potrebbe essere utile per rilevare la vita su corpi extraterrestri come altri pianeti o lune del nostro sistema solare. Sebbene la loro macchina attuale sia troppo grande per essere inviata nello spazio, le loro tecniche potrebbero essere applicate a campioni riportati sulla Terra, o il loro strumento potrebbe essere miniaturizzato.