Dybt under jordens overflade, ledetråde til livets oprindelse | Quanta Magasinet

Nær midnat den 26. marts 1961 skvulpede mørkt vand ind over skroget af en ombygget flådepram, mens den uroligt vuggede i Stillehavet. Skibet var netop ankommet til dette sted, omkring 240 kilometer fra Baja-halvøen, efter tre dages kampe på havet så hårdt, at besætningen havde surret gear til dækket med tunge lænker, "som en slyngel elefant," forfatteren John Steinbeck, der var ombord på skibet, senere skrev for Livet magasin.

Tilbage på land fløj rygter om besætningens mål. Nogle spekulerede i, at de var på jagt efter diamanter eller sunkne skatte. Andre havde mistanke om, at de søgte efter et sted at gemme et missil på havbunden. Men holdets mål var endnu højere end de vildeste rygter. Planen - udklækket over en alkohol-infunderet morgenmad i La Jolla-hjemmet for geologen Walter Munk - var at bore et hul så dybt, at det ville slå gennem jordskorpen og nå planetens kappe, et varmt, stenet lag klemt inde mellem jordskorpen og dens kerne.

Nu, mere end 62 år efter indsatsen kendt som Project Mohole, har forskerne stadig ikke haft succes med at bore gennem en intakt del af Jordens skorpe. Men det sidste forår var et hold ombord på det årtier gamle boreskib JOIDES Opløsning opnåede den næstbedste ting: De hentede en bunke kappesten fra et område af den atlantiske havbund, hvor skorpen er særlig tynd. Stedet er på toppen af ​​et undersøisk bjerg kendt som Atlantis Massif, hvor de langsomme skift af tektoniske plader har skubbet blokke af kappesten tættere på overfladen.

Mens kappen udgør hovedparten af ​​vores planet, er dens klipper normalt begravet kilometer under overfladen, hvilket gør friske prøver svære at hente. Men kappeklipper som dem, der blev udgravet sidste forår, kunne give spor til Jordens dybe virke og hjælpe forskere med bedre at forstå den tektoniske koreografi, der er grundlæggende for vores verden.

De nyligt indsamlede sten kan også indeholde spor til et andet afgørende træk ved vores planet - livet.

Når havvand møder kappesten, genererer en række kemiske reaktioner en cocktail, der kan skabe de organiske forbindelser, der er nødvendige for at antænde livets første gnister. Forskere har allerede fundet antydninger af små organiske molekyler skabt uden mikrobiel hjælp ved Lost City hydrotermiske udluftningssystem, en vidtstrakt geologisk metropol på toppen af ​​Atlantis Massif. Nogle videnskabsmænd har længe spekuleret i, at sådanne miljøer kunne have inkuberet vores planets tidligste livsformer. Nu er holdets nyligt borede hul, som borede mere end en kilometer under havbunden, nået ind i, hvad der synes at være det bankende hjerte i dette hydrotermiske system.

"Det åbner en verden af ​​muligheder for os," sagde Susan Lang, en biogeokemiker ved Woods Hole Oceanographic Institution, som var med i spidsen for ekspeditionen.

Allerede nu er der antydninger om, at høje koncentrationer af brintgas i borehulsvandene kan være tilgængelige til at drive organisk syntese. Dette naturlige laboratorium lover at hjælpe holdet med at udrede oprindelsen af ​​den livgivende gryderet, der siver op gennem Lost Citys tårne, og giver dem mulighed for at studere den organiske kemi i en verden uden organismer - livets kemi før livet eksisterede, eller da livet var yderst sparsomme. De få mikrober, der overlever de ekstreme underjordiske forhold, kan også give fingerpeg om, hvordan de tidligste væsener levede, og i sidste ende hjælper videnskabsmænd med at tyde de afgørende trin, der gjorde kemiske forbindelser til væsner.

At bygge en tabt by

Lang husker stadig den dag, for omkring to årtier siden, hvor hun blev tilbudt en køjeplads på fartøjet, der udførte den første detaljerede undersøgelse af Lost City-åbningerne. Tårer af begejstring flød over hendes øjne. "Jeg sagde ja uden at tjekke med nogen," sagde Lang, som på det tidspunkt var kandidatstuderende ved University of Washington.

Hendes inderlighed afspejlede den revolutionære natur i Lost City, hvis skinnende, gennemskinnelige søjler af varmt vand først blev opdaget af videnskabsmænd ombord på forskningsfartøjet Atlantis i 2000. På det tidspunkt var alle de andre kendte hydrotermiske udluftningssystemer mørke, med skorstene, der var sværtet af vulkanske sulfider, der pumpede tykke, røgfyldte plymer af brændende væsker ud i havet. Men den tabte bys spir var spøgelsesagtige hvide.

Som videnskabsmænd snart erfarede, stammer den lyse nuance fra reaktioner mellem havvand og klippen gemt i Atlantis Massif. Dette undersøiske bjerg er lidt højere end Mount Rainier og er stort set lavet af peridotit, en klippetype, der dominerer den øvre kappe. Bjerget blev dannet af de rolige skift af den nærliggende midtatlantiske højderyg, hvor de nordamerikanske og afrikanske tektoniske plader langsomt trækker sig fra hinanden. Denne bevægelse fjernet den øverste skorpe fra den stigende top og blotlægger skår af dens peridotitkerne.

Peridotite dvæler normalt under miles af skorpe. Det er ustabilt så tæt på Jordens overflade, hvor havvand kan krybe ind i sprækker i klipperne. Når det sker, reagerer et mineral kaldet olivin, der dominerer peridotitten, let med vandmolekyler, hvilket udløser en række kemiske trin kaldet serpentinisering. Processen gør vandet meget basisk, så når væsker fra sprækken blander sig med frisk havvand, udfældes blege mineraler og bygger Lost Citys fantastiske spir, der står så høje som en 20-etagers bygning.

Men et andet biprodukt af serpentinisering, brint, har trukket Lang og andre videnskabsmænd til stedet i årtier. Under de rette forhold kan brintgas sætte gang i simple kemiske reaktioner, såsom at omdanne kuldioxid og vand til små organiske forbindelser, uden mikrobiel hjælp (eller abiotisk). Fortsatte reaktioner kunne skabe større og mere komplekse organiske molekyler, måske håndværk lige den rigtige blanding af ingredienser - sukkerarter, fedtstoffer, aminosyrer - for at tilberede de tidligste livsformer. Derudover kan brint og små organiske stoffer også have leveret mad til Jordens tidligste indbyggere. "Brint er ligesom nøglen til alt," sagde Lang.

Denne gas var sandsynligvis mere almindelig på den tidlige Jord, da mineralsammensætningen af ​​overfladen adskilte sig fra den i dag, hvilket gør serpentiniseringsreaktioner mere almindelige.

Hos Atlantis Massif vil Lang og hendes kolleger gerne vide, hvilke organiske forbindelser der kan dannes uden mikrobiel hjælp, og hvilke mikrober der kan overleve på denne usædvanlige underjordiske buffet. Resultaterne kunne give fingerpeg om, hvordan de tidligste livsformer levede, såvel som den kemi, der gik forud for disse gamle mikrober.

Men i dag bugner der liv på Jordens overflade, både over og under vand, hvilket gør det svært at identificere forbindelser, der er fremstillet uden biologiens hjælp. Det gælder især i Lost City. "Du kan bare se de snottede biofilm vokse ud over de skorstene," sagde William Brazelton, en mikrobiolog ved University of Utah og en JOIDES medarbejder.

Så forskerne retter blikket mod rigerne under havbunden, hvor mikrober er sparsomme, og ilt er knap, hvilket skaber forhold, der ligner dem på den tidlige Jord. Som Brazelton sagde: "Vi skal bogstaveligt talt gå dybere."

At finde et naturligt laboratorium

I 1960'erne markerede Project Mohole starten på bestræbelserne på at lodde de uudforskede dybder af vores planet i en tid med "heroisk videnskab", sagde Damon Teagle, en geokemiker ved University of Southampton og en veteran fra mange videnskabelige havboreekspeditioner.

Navnet var et spil på Mohorovičić-diskontinuiteten, eller Moho, som definerer grænsen mellem skorpen og kappen. Under kontinenter kan Moho findes mere end 30 kilometer dybt; under havbunden er det tættere på 7 kilometer. På grund af dette vælger hold, der sigter mod kappen, normalt at bore fra skibe.

Project Mohole kom ikke engang tæt på sit mål, kun kedeligt igennem 179 meter sedimenter og kun 4 meter havbundssten. Alligevel afslørede selv denne indsats et væld af informationer om vores planet, inklusive det faktum, at der skjulte sig under havbundens sedimenter var relativt unge vulkanske klipper - et fund, der senere ville tjene som et vigtigt bevis i sagen om pladetektonik. Det producerede også teknologier, der udviklede sig til systemer, som videnskabsmænd stadig bruger, herunder nogle om bord på JOIDES Opløsning det sidste forår.

Selv i dag er dybhavsboring dog enormt udfordrende. For det første slider borekronerne hurtigt ud ved at bore gennem hårde klipper, hvilket tvinger regelmæssige bitskift og behovet for at genindtræde i det samme lille borehul fra et skib at duppe oven på hundreder eller tusinder af meter vand, hvilket er som at tabe en nål i et nålehul. For at gøre ondt værre fik sidste forårs ekspedition en uheldig start. Mens holdet borede deres første lodshul, satte deres bore sig fast, og for at forhindre, at skibet for evigt skulle være forankret til Atlantis Massif, afbrød besætningen forbindelsen med et dynamitstød. Derefter brød en del af systemet, der gjorde det muligt for boret at komme ind i et borehul flere gange, i stykker.

Med lidt kreativitet kom de endelig til at bore på et sted nu kendt som U1601C, som ligger under næsten 850 meter vand. Og det var da deres held ændrede sig.

På de fleste havbundsboreekspeditioner er fremskridtene langsom, med stenede kerner trukket på dækket hver tredje time eller deromkring. Men en gang JOIDES holdet kom i gang, de hev friske kerner ombord næsten hver time. Forskere, der behandlede kernerne, kunne næsten ikke følge med, og før de vidste af det, havde boret ramt kappesten.

Før denne ekspedition var det længste, nogen nogensinde havde boret i ændrede kappeklipper 200 målere. Men JOIDES holdet tilbagelagde den distance på få dage og til sidst kedede sig igennem 1,267.8 målere af hovedsagelig peridotit. "Det var bare bemærkelsesværdigt," sagde Teagle, som ikke var en del af det nylige foretagende.

For Lang lå en af ​​de største overraskelser gemt dybt inde i boringen. Efter at have fjernet deres sidste kerne, skyllede besætningen det tomme hul med rent vand og lod naturlige væsker og gasser krybe tilbage i over 72 timer. Derefter opsamlede de borehulsvandet på forskellige dybder og delte det op til mere end et dusin kemiske tests, herunder en brintgasanalyse.

Lang forventede højst at finde spormængder af brint indtil videre under jorden. Men den dybeste vandprøve indeholdt så meget gas, at der, da den dukkede op, dannede der bobler i røret, et fænomen, der ligner det, der sker, når du åbner en frisk dåse sodavand.

"Vi var ligesom, hellige lort," sagde Lang og huskede sin egen reaktion og Brazeltons. "Der var en masse bande involveret."

Vandet er propfyldt med brint, det brændstof, der er nødvendigt for at drive abiotiske reaktioner.

Byggeklodsernes byggesten

Mere end seks måneder efter ekspeditionen behandler holdet stadig deres enorme antal prøver - studerer vandkemien, identificerer mikrober, karakteriserer klipperne og mere. "Folk kommer til at lave en hel alfabetsuppe af grundstofanalyser på disse klipper," sagde Andrew McCaig, en geolog ved University of Leeds, der var med til at lede ekspeditionen.

Foreløbige modeller antyder, at temperaturer nær bunden af ​​borehullet endda kan nå 122 grader Celsius, den aktuelt kendte grænse for liv (skønt nogle undersøgelser tyder på, at grænsen kan sidde endnu højere). Lang advarer om, at modellerne kræver bekræftelse, fordi de er baseret på målinger taget, da borehulstemperaturerne blev lidt undertrykt af det kølige vand, der cirkulerede under boringen. Hvis det bekræftes, at forholdene er så ekstreme, ville dybden dog gøre det muligt for forskere at studere livsfremmende kemiske reaktioner uden mikrobers forvirrende indflydelse.

Dette ville være et vigtigt skridt fremad for videnskabsmænd, der studerer livets vandige oprindelse. ”På Jorden i dag er det virkelig svært at være vidne til abiotisk eller præbiotisk kemi, fordi livet dominerer; livet er overalt,” sagde Laurie Barge, en astrobiolog ved NASAs Jet Propulsion Laboratory, som ikke var en del af ekspeditionen.

Tidlige analyser tyder også på, at det lille organiske syreformiat er til stede i borehulsvandet. Formiat er en af ​​de enkleste forbindelser, der kan dannes abiotisk, fra reaktioner mellem kuldioxid og brint, og det kan markere et indledende skridt mod de første glimt af liv på den tidlige Jord.

"Det er råmaterialet til at bygge byggestenene," sagde Lang. Fortsatte abiotiske reaktioner med formiat kan producere større organiske forbindelser som aminosyrer, som kan sættes sammen til molekyler, der er essentielle for livet, såsom enzymer og andre proteiner.

Men meget af det kemiske billede forbliver uklart ved Atlantis Massif. Formiatet dybt inde i borehullet kan være dannet uden mikrobiel hjælp, som det har gjort i den mere lavvandede undergrund i nærheden, men flere test er nødvendige for at være sikker. Vandet indeholder også metan, en forbindelse, som nogle forskere mener var afgørende for tidlige metabolisme, og en forbindelse, der kunne genereres abiotisk fra reaktioner med brint. Men hvordan metan dannes i Lost City er et andet mysterium - det er "kompliceret og forvirrende," sagde Brazelton.

At identificere abiotiske reaktioner i naturen kunne informere fremtidige laboratorieeksperimenter, der tester præbiotisk kemi, hvor forskere kan justere betingelserne for at simulere den tidlige Jord eller andre verdener tættere, forklarede Barge. "Lost City er et virkelig specielt sted," sagde hun.

På jagt efter mikrober

Selvom det dybe borehul ikke er blottet for liv, vil den næsten hidtil usete mængde af genvundne klippekerner hjælpe videnskabsmænd med at forbinde skift i vandkemi og bjergarter til de få mikrober, der kan udvinde en levende underjordisk. At studere, hvordan mikrober overlever blandt knappe underjordiske ressourcer - måske ved at spise brint og andre abiotisk dannede forbindelser - kunne hjælpe med at skærpe vores billede af det tidlige liv.

Især Brazelton er på jagt efter de specifikke enzymer, mikrober bruger til at omdanne brint og små organiske forbindelser til energi. "Hele idéen her er, at du har kemi i gang i klipperne, og på et tidspunkt bliver den kemi til liv," sagde Brazelton. Disse enzymer er måske bare den knap, der hjælper forskere med at spole det evolutionære ur tilbage for at tyde, hvordan de tidligste stofskifte opstod.

Andre bestræbelser er fokuseret på at inkubere prøver fra klippen og forsøge at fange dybe mikrober i aktion, forklaret Fengping Wang, geomikrobiologen, der leder dette arbejde ved Shanghai Jiao Tong University. Wang har studeret livet i undergrunden i næsten to årtier, men hun og andre dybbiosfæreforskere har i vid udstrækning søgt efter mikrober, der gemmer sig i havets sedimenter. "Vi ved meget lidt om klippemikroberne," sagde hun. "Det er et af de sidste spørgsmål i den dybe biosfære: Hvad er der i de hårde klipper?"

I søgen efter svar pulveriserede Wang hundredvis af kerneprøver ombord på skibet, og placerede hver enkelt i et metalreaktorrør eller en glasflaske. Hun tilsatte prøverne med en række forskellige fødevarer - en mikrobiel smagsmenu egnet til en ukendt mangfoldighed af diæter. Og så inkuberede hun prøverne ved forskellige temperaturer for at se, hvad der ville vokse.

Samlet set opsatte hun næsten 800 inkubationer og stillede op til et billede med dem i ombordslaboratoriet "for at vise mit hårde arbejde," sagde hun med et grin. På billedet er hver tomme af bordet foran hende pakket med glasflasker, som kun er en brøkdel af hendes samlede prøver.

Wangs foreløbige resultater afslører et overskud af metan i nogle prøver, men om gassen kommer fra bøvsende mikrober eller reagerende sten er endnu ikke klart.

Forskere på tværs af mange felter venter spændt på holdets resultater. "Vi vil helt sikkert have et meget bedre overblik over ... hvilke faktiske kemiske processer der finder sted," sagde Yoshinori Miyazaki, en geofysiker ved California Institute of Technology.

Spændingen og triumfen omkring det seneste værk er dog også præget af sorg. Denne ekspedition er en af ​​de sidste for JOIDES Opløsning, som går på pension i slutningen af ​​2024 efter fire årtiers banebrydende forskning i havvand rundt om i verden. Der er i øjeblikket ingen konkret plan om at erstatte skibet, som efterlader et gabende hul i havforskningen for amerikanske forskere.

I løbet af sin lange embedsperiode, ekspeditioner om bord på JOIDES Opløsning har genvundet mere end 350 kilometer kerner fra havbunden. Gemt i denne geologiske trove er mange hemmeligheder fra vores planets fortid - skift i klimaet, havets kemi og måske andre spor til livets oprindelse. Men endnu mere information er stadig låst i havbundens klipper, som bare venter på at blive afsløret.