Tief unter der Erdoberfläche, Hinweise auf den Ursprung des Lebens | Quanta-Magazin

Am 26. März 1961, kurz vor Mitternacht, schwappte dunkles Wasser an den Rumpf eines umgebauten Marineschiffs, das im Pazifischen Ozean schaukelte. Das Schiff war gerade an diesem Ort angekommen, etwa 240 Kilometer vor der Baja-Halbinsel, nachdem es drei Tage lang auf so rauer See gekämpft hatte, dass die Besatzung ihre Ausrüstung mit schweren Ketten an Deck festgezurrt hatte, „wie ein abtrünniger Elefant“, so der Schriftsteller John Steinbeck war an Bord des Schiffes, schrieb später für Lebensdauer Zeitschrift.

Zurück an Land machten Gerüchte über die Ziele der Crew die Runde. Einige vermuteten, dass sie nach Diamanten oder versunkenen Schätzen suchten. Andere vermuteten, dass sie auf dem Meeresboden nach einem Ort zum Verstecken einer Rakete suchten. Doch die Ziele des Teams waren noch höher als das wildeste Hörensagen. Der Plan – ausgeheckt bei einem alkoholischen Frühstück im Haus des Geologen Walter Munk in La Jolla – bestand darin, ein so tiefes Loch zu bohren, dass es die Erdkruste durchdringen und den Mantel des Planeten erreichen würde, eine heiße, felsige Schicht, die zwischen der Erdkruste und dem Erdmantel liegt sein Kern.

Jetzt, mehr als 62 Jahre nach dem als Projekt Mohole bekannten Vorhaben, müssen Wissenschaftler immer noch erfolgreich einen intakten Abschnitt der Erdkruste durchbohren. Aber im vergangenen Frühjahr war ein Team an Bord des jahrzehntealten Bohrschiffs JOIDES-Entschließung Das Nächstbeste gelang ihnen: Sie holten eine Menge Mantelgestein aus einem Bereich des atlantischen Meeresbodens, wo die Kruste besonders dünn ist. Der Standort befindet sich auf einem unterseeischen Berg namens Atlantis-Massiv, wo die langsamen Verschiebungen der tektonischen Platten Mantelgesteinsblöcke näher an die Oberfläche geschoben haben.

Obwohl der Mantel den größten Teil unseres Planeten ausmacht, sind seine Gesteine ​​meist kilometerweit unter der Oberfläche vergraben, was die Gewinnung frischer Proben schwierig macht. Aber Mantelgesteine, wie sie im letzten Frühjahr ausgegraben wurden, könnten Hinweise auf die Tiefenwirkung der Erde liefern und Forschern helfen, die tektonische Choreographie, die für unsere Welt von grundlegender Bedeutung ist, besser zu verstehen.

Die neu gesammelten Gesteine ​​könnten auch Hinweise auf ein weiteres prägendes Merkmal unseres Planeten enthalten – das Leben.

Wenn Meerwasser auf Mantelgestein trifft, entsteht durch eine Reihe chemischer Reaktionen ein Cocktail, der die organischen Verbindungen erzeugen kann, die zum Entzünden der ersten Funken des Lebens erforderlich sind. Wissenschaftler haben bereits Hinweise auf kleine organische Moleküle gefunden, die ohne mikrobielle Hilfe im hydrothermalen Entlüftungssystem Lost City, einer weitläufigen geologischen Metropole auf dem Atlantis-Massiv, entstanden sind. Einige Wissenschaftler spekulieren seit langem, dass in solchen Umgebungen die frühesten Lebensformen unseres Planeten entstanden sein könnten. Nun ist das kürzlich vom Team gebohrte Loch, das mehr als einen Kilometer unter den Meeresboden bohrte, in das scheinbar schlagende Herz dieses hydrothermalen Systems vorgedrungen.

„Das eröffnet uns eine Welt voller Möglichkeiten“, sagte er Susan Lang, ein Biogeochemiker am Woods Hole Oceanographic Institution, der die Expedition mitleitete.

Es gibt bereits Hinweise darauf, dass hohe Konzentrationen an Wasserstoffgas im Bohrlochwasser für die organische Synthese verfügbar sein könnten. Dieses natürliche Labor verspricht, dem Team dabei zu helfen, den Ursprung des lebensspendenden Eintopfs zu entschlüsseln, der durch die Türme von Lost City nach oben sickert, und es ihnen zu ermöglichen, die organische Chemie einer Welt ohne Organismen zu untersuchen – die Chemie des Lebens, bevor es Leben gab oder als es Leben gab extrem knapp. Die wenigen Mikroben, die die extremen Bedingungen unter der Oberfläche überleben, könnten auch Hinweise darauf geben, wie die ersten Lebewesen ihren Lebensunterhalt verdienten, und letztendlich Wissenschaftlern dabei helfen, die entscheidenden Schritte zu entschlüsseln, die chemische Verbindungen in Lebewesen verwandelten.

Eine verlorene Stadt bauen

Lang erinnert sich noch an den Tag vor etwa zwei Jahrzehnten, als ihr ein Liegeplatz auf dem Schiff angeboten wurde, das die erste detaillierte Untersuchung der Entlüftungsöffnungen der Lost City durchführte. Tränen der Aufregung schossen ihr in die Augen. „Ich habe ja gesagt, ohne mich bei irgendjemandem zu erkundigen“, sagte Lang, der damals Doktorand an der University of Washington war.

Ihr Eifer spiegelte den revolutionären Charakter von Lost City wider, dessen schimmernde, durchscheinende Säulen aus heißem Wasser erstmals von Wissenschaftlern an Bord des Forschungsschiffs entdeckt wurden Atlantis "The Palm" im Jahr 2000. Zu dieser Zeit waren alle anderen bekannten hydrothermischen Entlüftungssysteme dunkel, mit durch vulkanische Sulfide geschwärzten Schornsteinen, die dicke, rauchige Schwaden sengender Flüssigkeiten in den Ozean pumpten. Aber die Türme von Lost City waren gespenstisch weiß.

Wie Wissenschaftler bald herausfanden, entsteht der helle Farbton durch Reaktionen zwischen Meerwasser und dem Gestein im Atlantis-Massiv. Dieser Unterwasserberg ist etwas höher als der Mount Rainier und besteht größtenteils aus Peridotit, einer Gesteinsart, die den oberen Erdmantel dominiert. Der Berg entstand aus den sanften Verschiebungen des nahegelegenen Mittelatlantischen Rückens, wo die nordamerikanische und die afrikanische tektonische Platte langsam auseinanderdriften. Diese Bewegung die obere Kruste entfernt vom aufsteigenden Gipfel aus und legt Teile seines Peridotitkerns frei.

Peridotit verweilt normalerweise unter einer kilometerlangen Kruste. So nahe an der Erdoberfläche ist es instabil, wo Meerwasser in Risse im Gestein eindringen kann. Wenn das passiert, reagiert ein Mineral namens Olivin, das den Peridotit dominiert, leicht mit Wassermolekülen und löst eine Reihe chemischer Schritte aus, die Serpentinisierung genannt werden. Der Prozess macht das Wasser stark alkalisch. Wenn sich Flüssigkeiten aus der Spalte mit frischem Meerwasser vermischen, fallen blasse Mineralien aus und bilden die atemberaubenden Türme von Lost City, die so hoch sind wie ein 20-stöckiges Gebäude.

Aber ein weiteres Nebenprodukt der Serpentinisierung, Wasserstoff, lockt Lang und andere Wissenschaftler seit Jahrzehnten an diesen Ort. Unter den richtigen Bedingungen kann Wasserstoffgas ohne mikrobielle Hilfe (oder abiotisch) einfache chemische Reaktionen antreiben, beispielsweise die Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in kleine organische Verbindungen. Durch fortgesetzte Reaktionen könnten größere und komplexere organische Moleküle entstehen, möglicherweise durch Herstellung genau die richtige Zutatenmischung – Zucker, Fette, Aminosäuren – um die frühesten Lebensformen aufzukochen. Darüber hinaus könnten Wasserstoff und kleine organische Stoffe auch die ersten Bewohner der Erde mit Nahrung versorgt haben. „Wasserstoff ist sozusagen der Schlüssel zu allem“, sagte Lang.

Dieses Gas war wahrscheinlich häufiger auf der frühen Erde anzutreffen, als sich die mineralische Zusammensetzung der Oberfläche von der heutigen unterschied und Serpentinisierungsreaktionen häufiger vorkamen.

Im Atlantis-Massiv wollen Lang und ihre Kollegen wissen, welche organischen Verbindungen sich ohne mikrobielle Hilfe bilden können und welche Mikroben auf diesem ungewöhnlichen unterirdischen Buffet überleben könnten. Die Ergebnisse könnten Hinweise darauf geben, wie die frühesten Lebensformen ihren Lebensunterhalt bestritten und welche Chemie diesen alten Mikroben vorausging.

Aber heute gibt es auf der Erdoberfläche sowohl über als auch unter Wasser reichlich Leben, was es schwierig macht, Verbindungen zu identifizieren, die ohne die Hilfe der Biologie hergestellt wurden. Das gilt insbesondere für Lost City. „Man kann einfach sehen, wie überall in diesen Schornsteinen rotzige Biofilme wachsen“, sagte er William Brazelton, ein Mikrobiologe an der University of Utah und a JOIDES Teammitglied.

Deshalb richten die Forscher ihr Augenmerk auf die Bereiche unterhalb des Meeresbodens, wo Mikroben spärlich und Sauerstoff knapp sind, wodurch ähnliche Bedingungen wie auf der frühen Erde geschaffen werden. Wie Brazelton sagte: „Wir müssen buchstäblich tiefer gehen.“

Ein natürliches Labor finden

In den 1960er Jahren markierte das Projekt Mohole den Beginn der Bemühungen, die unerforschten Tiefen unseres Planeten in einer Zeit „heroischer Wissenschaft“ zu erforschen, sagte er Damon Teagle, Geochemiker an der University of Southampton und Veteran vieler wissenschaftlicher Ozeanbohrexpeditionen.

Der Name war eine Anspielung auf die Mohorovičić-Diskontinuität oder Moho, die die Grenze zwischen Kruste und Mantel definiert. Unter Kontinenten kann der Moho in einer Tiefe von mehr als 30 Kilometern gefunden werden; Unter dem Meeresboden sind es eher 7 Kilometer. Aus diesem Grund entscheiden sich Teams, die den Erdmantel anvisieren, normalerweise dafür, von Schiffen aus zu bohren.

Das Projekt Mohole kam seinem Ziel nicht einmal annähernd näher langweilig durch 179 Meter Sedimente und nur 4 Meter Meeresbodengestein. Doch selbst diese Bemühungen enthüllten eine Fülle von Informationen über unseren Planeten, einschließlich der Tatsache, dass sich unter Meeresbodensedimenten relativ junges Vulkangestein verbarg – ein Fund, der später als wichtiger Beweis für die Plattentektonik dienen sollte. Es wurden auch Technologien entwickelt, die sich zu Systemen entwickelten, die Wissenschaftler noch heute nutzen, darunter einige an Bord der JOIDES-Entschließung im vergangenen Frühjahr.

Allerdings sind Tiefseebohrungen auch heute noch eine enorme Herausforderung. Zum einen verschleißen beim Bohren durch hartes Gestein die Bohrkronen schnell, was einen regelmäßigen Bohrkronenwechsel und die Notwendigkeit erfordert, immer wieder in das gleiche winzige Bohrloch einzudringen ein Schiff Es schaukelt auf Hunderten oder Tausenden Metern Wasseroberfläche, als würde man eine Nadel in ein Loch stecken. Erschwerend kommt hinzu, dass die Expedition im letzten Frühjahr einen ungünstigen Start hatte. Während das Team sein erstes Pilotloch bohrte, blieb ihr Bohrer stecken, und um zu verhindern, dass das Schiff für immer im Atlantis-Massiv verankert wird, trennte die Besatzung die Verbindung mit einem Dynamitstoß. Dann zerbrach ein Teil des Systems, das es dem Bohrer ermöglichte, mehrmals in ein Bohrloch einzudringen, in Stücke.

Mit ein wenig Kreativität gelang es ihnen schließlich, an einem Standort zu bohren, der heute als U1601C bekannt ist und fast 850 Meter unter Wasser liegt. Und dann änderte sich ihr Glück.

Bei den meisten Bohrexpeditionen am Meeresboden geht es nur langsam voran, da etwa alle drei Stunden Gesteinskerne an Deck geschleppt werden. Aber sobald die JOIDES Als das Team loslegte, hievten sie fast jede Stunde neue Kerne an Bord. Die Wissenschaftler, die die Bohrkerne verarbeiteten, kamen kaum hinterher, und bevor sie es wussten, traf der Bohrer auf Mantelgestein.

Vor dieser Expedition war die größte Tiefe, die jemals jemand in verändertes Mantelgestein gebohrt hatte, der Fall 200 Meter. Aber der JOIDES Das Team hat diese Distanz in nur wenigen Tagen zurückgelegt und sich letztendlich durchgebohrt 1,267.8 Meter überwiegend aus Peridotit. „Es war einfach bemerkenswert“, sagte Teagle, der nicht an der jüngsten Unternehmung beteiligt war.

Für Lang war eine der größten Überraschungen tief im Bohrloch verborgen. Nachdem sie den letzten Bohrkern entfernt hatten, spülte die Mannschaft das leere Loch mit sauberem Wasser und ließ über 72 Stunden hinweg natürliche Flüssigkeiten und Gase eindringen. Dann sammelten sie das Bohrlochwasser in verschiedenen Tiefen und teilten es für mehr als ein Dutzend chemische Tests auf, darunter eine Wasserstoffgasanalyse.

Allenfalls erwartete Lang, bisher unter der Erde Spuren von Wasserstoff zu finden. Aber die tiefste Wasserprobe enthielt so viel Gas, dass sich beim Auftauchen Blasen in der Röhre bildeten, ein Phänomen, das dem ähnelt, wenn man eine frische Dose Limonade aufbricht.

„Wir dachten: Heilige Scheiße“, sagte Lang und erinnerte sich an ihre eigene Reaktion und die von Brazelton. „Es wurde viel geflucht.“

Das Wasser ist voller Wasserstoff, dem Treibstoff, der für abiotische Reaktionen benötigt wird.

Die Bausteine ​​der Bausteine

Mehr als sechs Monate nach der Expedition verarbeitet das Team immer noch seine enorme Anzahl an Proben – es untersucht die Wasserchemie, identifiziert Mikroben, charakterisiert die Gesteine ​​und vieles mehr. „Die Leute werden eine ganze Reihe von Elementaranalysen an diesen Gesteinen durchführen“, sagte er Andrew McCaig, ein Geologe an der University of Leeds, der die Expedition mitleitete.

Vorläufige Modelle deuten darauf hin, dass die Temperaturen in der Nähe des Bohrlochbodens sogar 122 Grad Celsius erreichen könnten, die derzeit bekannte Grenze für Leben einige Studien deuten darauf hin, dass die Grenze sogar noch höher liegen könnte). Lang weist darauf hin, dass die Modelle einer Bestätigung bedürfen, da sie auf Messungen basieren, die durchgeführt wurden, als die Bohrlochtemperaturen durch das während des Bohrens zirkulierende kühle Wasser leicht gesenkt wurden. Wenn jedoch bestätigt wird, dass die Bedingungen so extrem sind, könnte die Tiefe es Wissenschaftlern ermöglichen, lebenswichtige chemische Reaktionen ohne den verwirrenden Einfluss von Mikroben zu untersuchen.

Dies wäre ein bedeutender Fortschritt für Wissenschaftler, die den Ursprung des Lebens im Wasser untersuchen. „Auf der Erde ist es heute wirklich schwer, abiotische oder präbiotische Chemie zu beobachten, weil das Leben dominiert; „Das Leben ist überall“, sagte er Laurie Barges, ein Astrobiologe am Jet Propulsion Laboratory der NASA, der nicht an der Expedition teilnahm.

Erste Analysen deuten auch darauf hin, dass die kleine organische Säure Formiat im Bohrlochwasser vorhanden ist. Formiat ist eine der einfachsten Verbindungen, die sich abiotisch durch Reaktionen zwischen Kohlendioxid und Wasserstoff bilden können, und könnte einen ersten Schritt in Richtung der ersten Lebensschimmer auf der frühen Erde darstellen.

„Es ist der Rohstoff für den Bau der Bausteine“, sagte Lang. Fortgesetzte abiotische Reaktionen mit Formiat könnten zu größeren organischen Verbindungen wie Aminosäuren führen, die zu lebenswichtigen Molekülen wie Enzymen und anderen Proteinen aneinandergereiht werden können.

Aber ein Großteil des chemischen Bildes im Atlantis-Massiv bleibt unklar. Das Formiat tief im Bohrloch hat sich möglicherweise ohne mikrobielle Hilfe gebildet, wie es auch im flacheren Untergrund in der Nähe der Fall war, aber um sicherzugehen, sind weitere Tests erforderlich. Das Wasser enthält auch Methan, eine Verbindung, die nach Ansicht einiger Wissenschaftler für den frühen Stoffwechsel lebenswichtig war und die abiotisch durch Reaktionen mit Wasserstoff erzeugt werden könnte. Aber wie sich in Lost City Methan bildet, ist ein weiteres Rätsel – es ist „kompliziert und verwirrend“, sagte Brazelton.

Die Identifizierung abiotischer Reaktionen in der Natur könnte künftige Laborexperimente zum Testen der präbiotischen Chemie beeinflussen, bei denen Forscher die Bedingungen optimieren können, um die frühe Erde oder andere Welten genauer zu simulieren, erklärte Barge. „Lost City ist ein ganz besonderer Ort“, sagte sie.

Auf der Jagd nach Mikroben

Auch wenn das Tiefbohrloch nicht frei von Leben ist, wird die nahezu beispiellose Menge an geborgenen Gesteinskernen den Wissenschaftlern dabei helfen, Veränderungen in der Wasserchemie und den Gesteinsarten mit den wenigen Mikroben in Verbindung zu bringen, die möglicherweise im Untergrund leben. Die Untersuchung, wie Mikroben inmitten knapper unterirdischer Ressourcen überleben – möglicherweise durch den Verzehr von Wasserstoff und anderen abiotisch gebildeten Verbindungen – könnte dazu beitragen, unser Bild vom frühen Leben zu schärfen.

Insbesondere Brazelton ist auf der Suche nach den spezifischen Enzymen, mit denen Mikroben Wasserstoff und kleine organische Verbindungen in Energie umwandeln. „Die ganze Idee hier ist, dass in den Gesteinen Chemie herrscht und dass sich diese Chemie irgendwann in Leben verwandelt“, sagte Brazelton. Diese Enzyme könnten genau der Knopf sein, der Forschern hilft, die Evolutionsuhr zurückzudrehen, um zu entschlüsseln, wie die frühesten Stoffwechselvorgänge entstanden sind.

Andere Bemühungen konzentrierten sich auf die Inkubation von Gesteinsproben und den Versuch, tiefliegende Mikroben in Aktion zu fangen, erklärte er Fengping Wang, der Geomikrobiologe, der diese Arbeit an der Shanghai Jiao Tong University leitet. Wang erforscht seit fast zwei Jahrzehnten das Leben im Untergrund, aber sie und andere Forscher der tiefen Biosphäre haben hauptsächlich nach Mikroben gesucht, die sich in Meeressedimenten verstecken. „Wir wissen sehr wenig über die Gesteinsmikroben“, sagte sie. „Es ist eine der letzten Fragen in der tiefen Biosphäre: Was ist im harten Gestein?“

Auf der Suche nach Antworten pulverisierte Wang an Bord des Schiffes Hunderte von Kernproben und gab sie jeweils in ein Metallreaktorrohr oder eine Glasflasche. Sie versetzte die Proben mit verschiedenen Lebensmitteln – ein mikrobielles Degustationsmenü, das für eine unbekannte Vielfalt an Diäten geeignet war. Und dann inkubierte sie die Proben bei verschiedenen Temperaturen, um zu sehen, was wachsen würde.

Insgesamt richtete sie fast 800 Inkubationen ein und posierte mit ihnen im Bordlabor für ein Foto, „um meine harte Arbeit zu zeigen“, sagte sie lachend. Auf dem Bild ist jeder Zentimeter des Tisches vor ihr mit Glasflaschen gefüllt, die nur einen Bruchteil ihrer gesamten Proben ausmachen.

Wangs vorläufige Ergebnisse zeigen einen Überschuss an Methan in einigen Proben, aber ob das Gas von rülpsenden Mikroben oder reagierenden Gesteinen stammt, ist noch nicht klar.

Wissenschaftler aus vielen Bereichen warten gespannt auf die Ergebnisse des Teams. „Wir werden auf jeden Fall einen viel besseren Überblick darüber haben, welche tatsächlichen chemischen Prozesse ablaufen“, sagte er Yoshinori Miyazaki, Geophysiker am California Institute of Technology.

Die Aufregung und der Triumph rund um das neueste Werk sind jedoch auch von Traurigkeit geprägt. Diese Expedition ist eine der letzten für die JOIDES-Entschließung, das Ende 2024 nach vier Jahrzehnten bahnbrechender Forschung in Meeresgewässern auf der ganzen Welt in den Ruhestand geht. Derzeit gibt es keinen konkreten Plan, das Schiff zu ersetzen, was für US-Wissenschaftler eine klaffende Lücke in der Meeresforschung hinterlässt.

Während seiner langen Amtszeit wurden Expeditionen an Bord der JOIDES-Entschließung haben mehr als 350 Kilometer Bohrkerne vom Meeresboden geborgen. In dieser geologischen Fundgrube verbergen sich viele Geheimnisse aus der Vergangenheit unseres Planeten – Klimaveränderungen, die Chemie der Ozeane und vielleicht auch andere Hinweise auf den Ursprung des Lebens. Aber noch mehr Informationen sind in den Felsen des Meeresbodens eingeschlossen und warten nur darauf, entdeckt zu werden.