Sampling across large-scale geological gradients to study geosphere–biosphere interactions

Abstract

Despite being one of the largest microbial ecosystems on Earth, many basic open questions remain about how life exists and thrives in the deep subsurface biosphere. Much of this ambiguity is due to the fact that it is exceedingly difficult and often prohibitively expensive to directly sample the deep subsurface, requiring elaborate drilling programs or access to deep mines. We propose a sampling approach which involves collection of a large suite of geological, geochemical, and biological data from numerous deeply-sourced seeps—including lower temperature sites—over large spatial scales. This enables research into interactions between the geosphere and the biosphere, expanding the classical local approach to regional or even planetary scales. Understanding the interplay between geology, geochemistry and biology on such scales is essential for building subsurface ecosystem models and extrapolating the ecological and biogeochemical roles of subsurface microbes beyond single site interpretations. This approach has been used successfully across the Central and South American Convergent Margins, and can be applied more broadly to other types of geological regions (i.e., rifting, intraplate volcanic, and hydrothermal settings). Working across geological spatial scales inherently encompasses broad temporal scales (e.g., millions of years of volatile cycling across a convergent margin), providing access to a framework for interpreting evolution and ecosystem functions through deep time and space. We propose that tectonic interactions are fundamental to maintaining planetary habitability through feedbacks that stabilize the ecosphere, and deep biosphere studies are fundamental to understanding geo-bio feedbacks on these processes on a global scale.A pesar de ser uno de los ecosistemas microbianos más grandes de la Tierra, aún persisten muchas preguntas básicas sobre cómo existe y prospera la vida en la biosfera subterránea profunda. Gran parte de esta ambigüedad se debe a la extrema dificultad y, a menudo, a un coste prohibitivo, de muestrear directamente el subsuelo profundo, lo que requiere complejos programas de perforación o acceso a minas profundas. Proponemos un enfoque de muestreo que implica la recopilación de un amplio conjunto de datos geológicos, geoquímicos y biológicos de numerosas filtraciones de fuentes profundas, incluyendo sitios de baja temperatura, a gran escala espacial. Esto permite la investigación de las interacciones entre la geosfera y la biosfera, ampliando el enfoque local clásico a escalas regionales o incluso planetarias. Comprender la interacción entre la geología, la geoquímica y la biología a estas escalas es esencial para construir modelos de ecosistemas subterráneos y extrapolar las funciones ecológicas y biogeoquímicas de los microbios del subsuelo más allá de las interpretaciones de un solo sitio. Este enfoque se ha utilizado con éxito en los márgenes convergentes de América Central y del Sur, y puede aplicarse de forma más amplia a otros tipos de regiones geológicas (p. ej., rifting, entornos volcánicos intraplaca e hidrotermales). Trabajar a escalas espaciales geológicas implica, inherentemente, amplias escalas temporales (p. ej., millones de años de ciclos volátiles a lo largo de un margen convergente), lo que proporciona acceso a un marco para interpretar la evolución y las funciones ecosistémicas a través del tiempo y el espacio profundos. Proponemos que las interacciones tectónicas son fundamentales para mantener la habitabilidad planetaria mediante retroalimentaciones que estabilizan la ecosfera, y que los estudios profundos de la biosfera son fundamentales para comprender las retroalimentaciones geobiológicas sobre estos procesos a escala global.