Sügaval Maa pinna all, vihjed elu päritolule | Ajakiri Quanta

26. märtsil 1961 südaöö lähedal loksusid tumedad veed ümber ehitatud mereväe praami kerele, kui see vaikselt Vaikses ookeanis kõiges. Laev oli just saabunud sellesse kohta, umbes 240 kilomeetri kaugusel Baja poolsaarest, pärast kolm päeva kestnud võitlust nii karmil merel, et meeskond oli raskete kettidega varustust teki külge sidunud, "nagu kelmikas elevant," ütles romaanikirjanik John Steinbeck. oli laeva pardal, kirjutas hiljem elu ajakiri.

Tagasi kaldale lendasid kuulujutud meeskonna eesmärkide kohta. Mõned oletasid, et nad jahtisid teemante või uppunud varandust. Teised kahtlustasid, et nad otsisid kohta, kus rakett merepõhja peita. Kuid meeskonna eesmärgid olid isegi kõrgemad kui kõige pöörasemad kuulujutud. Geoloog Walter Munki La Jolla kodus alkoholiga immutatud hommikusöögi ajal koorunud plaan oli puurida nii sügav auk, et see tungiks läbi maakoore ja jõuaks planeedi vahevööni, kuuma kivise kihini, mis on maakoore ja maakoore vahel. selle tuum.

Nüüd, enam kui 62 aastat pärast Mohole projekti nime all tuntud jõupingutusi, ei ole teadlased ikka veel edukalt läbi puurinud puutumata maakoore osa. Kuid möödunud kevadel oli meeskond aastakümneid vana puurlaeva pardal JOIDES Resolutsioon saavutasid järgmise parima asja: nad leidsid Atlandi ookeani merepõhja piirkonnast, kus maakoor on eriti õhuke, välja mantlikivimite. See koht asub Atlantise massiivi all tuntud allveelaeva mäe tipus, kus tektooniliste plaatide aeglased nihked on mantlikivide plokid pinnale lähemale lükanud.

Kuigi vahevöö moodustab suurema osa meie planeedist, on selle kivimid tavaliselt mattunud kilomeetrite sügavusele pinna all, mistõttu on värskeid proove raske kätte saada. Kuid sellised vahevöö kivimid, nagu need, mis kaevati välja eelmisel kevadel, võivad anda vihjeid Maa sügavale toimimisele ja aidata teadlastel paremini mõista meie maailma jaoks üliolulist tektoonilist koreograafiat.

Äsja kogutud kivimid võivad sisaldada vihjeid ka teisele meie planeedi tunnusjoonele - elule.

Kui merevesi kohtub vahevöö kivimiga, tekitab rida keemilisi reaktsioone kokteili, mis võib luua orgaanilisi ühendeid, mis on vajalikud elu esimeste sädemete süütamiseks. Teadlased on juba leidnud vihjeid väikestele orgaanilistele molekulidele, mis on loodud ilma mikroobide abita, Lost City hüdrotermilises õhutussüsteemis, mis on Atlantise massiivi tipus laiuv geoloogiline metropol. Mõned teadlased on pikka aega oletanud, et sellised keskkonnad oleksid võinud inkubeerida meie planeedi varasemaid eluvorme. Nüüd on meeskonna hiljuti puuritud auk, mis puuris rohkem kui kilomeeter merepõhja alla, ulatunud selle hüdrotermilise süsteemi pekslevasse südamesse.

"See avab meile võimaluste maailma," ütles Susan Lang, Woods Hole'i ​​okeanograafiainstituudi biogeokeemik, kes juhtis ekspeditsiooni.

Juba praegu on vihjeid sellele, et orgaanilise sünteesi käivitamiseks võib puurkaevude vetes olla vesinikgaasi kõrge kontsentratsioon. See looduslik laboratoorium lubab aidata meeskonnal lahti harutada läbi Lost City tornide niriseva eluandva hautise päritolu, võimaldades neil uurida organismideta maailma orgaanilist keemiat – elu keemiat enne elu olemasolu või siis, kui elu tekkis. äärmiselt napp. Vähesed mikroobid, mis äärmuslikes maa-alustes tingimustes ellu jäävad, võivad samuti anda vihjeid selle kohta, kuidas kõige varasemad olendid elatist teenisid, aidates lõpuks teadlastel lahti mõtestada pöördelisi samme, mis muutsid keemilised ühendid olenditeks.

Kadunud linna ehitamine

Lang mäletab siiani päeva, umbes kaks aastakümmet tagasi, kui talle pakuti kaikohta laeval, kus viidi läbi esimene üksikasjalik uurimine kadunud linna õhuavade kohta. Erutuspisarad ujutasid ta silmi. "Ma ütlesin jah, ilma kellegagi uurimata," ütles Lang, kes oli tol ajal Washingtoni ülikooli magistrant.

Tema kirglikkus peegeldas Lost City revolutsioonilist olemust, mille sädelevaid, poolläbipaistvaid kuuma vee sambaid märkasid teadlased esmakordselt uurimislaeva pardal. Atlantis 2000. aastal. Sel ajal olid kõik teised teadaolevad hüdrotermilised ventilatsioonisüsteemid tumedad ja vulkaaniliste sulfiidide poolt mustaks tõmbunud korstnad pumpasid ookeani pakse, suitsuseid põletusvedelike voole. Kuid Lost City tornid olid kummituslikult valged.

Nagu teadlased peagi teada said, tuleneb hele toon merevee ja Atlantise massiivi sisse jäetud kivimite vahelisest reaktsioonist. See Rainieri mäest pisut kõrgem allveelaev on suures osas valmistatud peridotiidist, mis on ülemise vahevöö domineeriv kivim. Mägi tekkis lähedal asuva Kesk-Atlandi seljandiku rahulikest nihketest, kus Põhja-Ameerika ja Aafrika tektoonilised plaadid aeglaselt lahku tõmbuvad. See liikumine koorinud ülemise koore tõusvast tipust, paljastades selle peridotiidi tuuma osad.

Peridotiit püsib tavaliselt kilomeetrite pikkuse maakoore all. See on ebastabiilne nii Maa pinna lähedal, kus merevesi võib kivimite pragudesse pugeda. Kui see juhtub, reageerib peridotiidis domineeriv mineraal nimega oliviin kergesti veemolekulidega, käivitades rea keemilisi samme, mida nimetatakse serpentiniseerimiseks. Protsess muudab vee väga aluseliseks, nii et kui praost väljuvad vedelikud segunevad värske mereveega, sadestuvad kahvatud mineraalid ja ehitavad Lost City vapustavad tornid, mis on sama kõrged kui 20-korruseline hoone.

Kuid veel üks serpentiniseerumise kõrvalsaadus, vesinik, on Langi ja teisi teadlasi aastakümneid kohale meelitanud. Õigetes tingimustes võib gaas vesinik käivitada lihtsaid keemilisi reaktsioone, nagu süsinikdioksiidi ja vee muutmine väikesteks orgaanilisteks ühenditeks, ilma mikroobide abita (või abiootiliselt). Jätkuvad reaktsioonid võivad luua suuremaid ja keerukamaid orgaanilisi molekule, võib-olla meisterdada just õige koostisainete segu — suhkrud, rasvad, aminohapped — varaseimate eluvormide valmistamiseks. Lisaks võisid vesinik ja väikesed orgaanilised ained anda toitu ka Maa varasematele elanikele. "Vesinik on nagu kõige võti," ütles Lang.

See gaas oli tõenäoliselt levinum varajases Maa peal, kui pinna mineraalne koostis erines tänapäeva omast, muutes serpentiniseerumisreaktsioonid tavalisemaks.

Atlantis Massifis tahavad Lang ja tema kolleegid teada, millised orgaanilised ühendid võivad tekkida ilma mikroobide abita ja millised mikroobid võivad selles ebatavalises maa-aluses puhvetis ellu jääda. Tulemused võivad anda vihjeid selle kohta, kuidas varaseimad eluvormid elatist teenisid, samuti keemia, mis eelnes neile iidsetele mikroobidele.

Kuid tänapäeval elab Maa pinnal palju elu nii vee kohal kui ka all, mistõttu on raske tuvastada ühendeid, mis on valmistatud ilma bioloogia abita. See kehtib eriti Lost City kohta. "Näete lihtsalt, kuidas nendes korstnates kasvavad tattsed biokiled," ütles William Brazelton, Utah' ülikooli mikrobioloog ja a JOIDES meeskonna liige.

Nii võtsid teadlased oma sihiks merepõhja all olevad valdkonnad, kus mikroobid on hõredad ja hapnikku napib, luues tingimused, mis on sarnased varajase Maa omadega. Nagu Brazelton ütles: "Me peame minema sõna otseses mõttes sügavamale."

Loodusliku labori leidmine

1960. aastatel tähistas projekt Mohole jõupingutusi meie planeedi uurimata sügavuste uputamiseks "kangelasliku teaduse" ajal. Damon Teagle, Southamptoni ülikooli geokeemik ja paljude teaduslike ookeanipuurimise ekspeditsioonide veteran.

Nimi oli näidend Mohorovičići katkendlikkusest ehk Mohost, mis määratleb maakoore ja vahevöö vahelise piiri. Mandrite all võib Mohot leida rohkem kui 30 kilomeetri sügavusel; merepõhja all on see lähemal 7 kilomeetrile. Seetõttu valivad mantlit sihivad meeskonnad tavaliselt laevadelt puurimise.

Projekt Mohole ei jõudnud oma eesmärgile isegi lähedale igav läbi 179 meetrit setteid ja kõigest 4 meetrit merepõhja kivimit. Kuid isegi see jõupingutus paljastas meie planeedi kohta palju teavet, sealhulgas asjaolu, et merepõhja setete all peidusid suhteliselt noored vulkaanilised kivimid – leid, mis hiljem toimis laamtektoonika juhtumi põhitõendina. Samuti tootis see tehnoloogiaid, millest on välja arenenud süsteemid, mida teadlased siiani kasutavad, sealhulgas mõned pardal JOIDES Resolutsioon möödunud kevadel.

Isegi tänapäeval on süvaookeani puurimine tohutult keeruline. Esiteks kulub läbi kõva kivi puurimine kiiresti puuriterad, mis sunnib korrapäraselt otsikut vahetama ja samasse pisikesse puurauku uuesti sisenema. laev sadade või tuhandete meetrite veepinnal hüppamine, mis on nagu nõela nõelaauku kukkumine. Asja teeb hullemaks see, et eelmise kevade ekspeditsioon algas ebasoodsalt. Sel ajal, kui meeskond puuris oma esimest piloodiauku, jäi nende puur kinni ja et laev ei jääks igaveseks Atlantise massiivi ankrusse, katkestas meeskond ühenduse dünamiidi plahvatusega. Seejärel purunes osa süsteemist, mis võimaldas puuril korduvalt puurauku siseneda.

Natuke loovust kasutades jõudsid nad lõpuks puurimiseni kohas, mida praegu tuntakse kui U1601C ja mis asub peaaegu 850 meetri sügavuse vee all. Ja siis nende õnn muutus.

Enamikul merepõhja puurimise ekspeditsioonidel on edenemine aeglane, kivisüdamikke veetakse tekile umbes iga kolme tunni järel. Kuid kord JOIDES meeskond sai käima, nad tõstsid värskeid tuumasid pardale peaaegu iga tund. Südamike töötlevad teadlased suutsid vaevu sammu pidada ja enne, kui nad arugi said, oli puur põrganud vahevöö kivimeid.

Enne seda ekspeditsiooni oli kõige kaugemal, mida keegi kunagi muudetud mantlikividesse puurinud 200 meetri. Kuid JOIDES meeskond läbis selle distantsi vaid mõne päevaga, lõpuks igav 1,267.8 meetri enamasti peridotiidist. "See oli lihtsalt tähelepanuväärne," ütles Teagle, kes ei osalenud hiljutises ettevõtmises.

Langi jaoks oli üks suuremaid üllatusi peidus sügaval puuraugus. Pärast viimase südamiku eemaldamist loputas meeskond tühja augu puhta veega ning lasi looduslikel vedelikel ja gaasidel enam kui 72 tunni jooksul tagasi hiilida. Seejärel kogusid nad puurkaevu vee erinevatel sügavustel ja jagasid selle enam kui tosina keemilise katse jaoks, sealhulgas vesinikgaasi analüüsiks.

Maksimaalselt lootis Lang seni maa alt leida jälgi vesinikku. Sügavaim veeproov sisaldas aga nii palju gaasi, et selle pinnale tõustes tekkisid torus mullid, mis sarnaneb sellele, mis juhtub värske soodapurgi avamisel.

"Me olime nagu püha jama," meenutas Lang enda ja Brazeltoni reaktsiooni. "Seal oli palju sõimu."

Veed on täis vesinikku, kütust, mis on vajalik abiootiliste reaktsioonide käivitamiseks.

Ehitusplokkide ehitusplokid

Rohkem kui kuus kuud pärast ekspeditsiooni töötleb meeskond endiselt oma tohutut arvu proove - uurib veekeemiat, tuvastab mikroobid, iseloomustab kivimeid ja palju muud. "Inimesed teevad nende kivimite kohta terve tähestikulise supi elementaaranalüüsidest," ütles Andrew McCaig, Leedsi ülikooli geoloog, kes juhtis ekspeditsiooni.

Esialgsed mudelid vihjavad, et temperatuur puuraugu põhja lähedal võib ulatuda isegi 122 kraadini Celsiuse järgi, mis on praegu teadaolev eluea piir (kuigi mõned uuringud viitab sellele, et limiit võib olla veelgi kõrgem). Lang hoiatab, et mudelid nõuavad kinnitust, kuna need põhinevad mõõtmistel, mis tehti siis, kui puuraukude temperatuure puurimise ajal ringlev jahe vesi veidi alla surus. Kui aga kinnitatakse, et tingimused on nii äärmuslikud, võimaldaks see sügavus teadlastel uurida elutähtsaid keemilisi reaktsioone ilma mikroobide segava mõjuta.

See oleks märkimisväärne samm edasi teadlastele, kes uurivad elu vesist päritolu. „Tänapäeval on Maal tõesti raske tunnistada abiootilist või prebiootilist keemiat, sest elu domineerib; elu on kõikjal,” ütles Laurie Barge, NASA Jet Propulsion Laboratory astrobioloog, kes ei osalenud ekspeditsioonis.

Varased analüüsid viitavad ka sellele, et puurkaevu vees leidub väikest orgaanilist happeformiaadi. Formaat on üks lihtsamaid ühendeid, mis võivad moodustuda abiootiliselt, süsinikdioksiidi ja vesiniku vaheliste reaktsioonide tulemusena, ning see võib tähistada esimest sammu esimeste elukiirte suunas Maal.

"See on tooraine ehitusplokkide ehitamiseks," ütles Lang. Jätkuvad abiootilised reaktsioonid formiaadiga võivad tekitada suuremaid orgaanilisi ühendeid, nagu aminohapped, mida saab siduda eluks vajalikeks molekulideks, nagu ensüümid ja muud valgud.

Kuid suur osa keemilisest pildist jääb Atlantise massiivi uduseks. Sügaval puuraugus olev formiaat võis tekkida ilma mikroobide abita, nagu see on lähedal asuvas madalamas pinnases, kuid kindluse tagamiseks on vaja veel katsetada. Vesi sisaldab ka metaani, ühendit, mis mõnede teadlaste arvates oli varajase ainevahetuse jaoks ülioluline ja mis võib tekkida abiootiliselt reaktsioonidest vesinikuga. Kuid see, kuidas metaan Lost Citys moodustub, on veel üks mõistatus - see on "keeruline ja segane", ütles Brazelton.

Abiootiliste reaktsioonide tuvastamine looduses võib anda teavet tulevaste laborikatsete jaoks, mis testivad prebiootilist keemiat, kus teadlased saavad kohandada tingimusi, et paremini simuleerida varajast Maad või muid maailmu, selgitas Barge. "Kadunud linn on tõesti eriline koht," ütles ta.

Mikroobide jaht

Isegi kui sügavas puuraugus pole elutu, aitab peaaegu enneolematu kogus taaskasutatud kivisüdamike teadlastel seostada veekeemia ja kivimitüüpide nihkeid väheste mikroobidega, mis võivad maa-alusest elust välja tuua. Uurides, kuidas mikroobid nappides maa-alustes ressurssides ellu jäävad – võib-olla vesinikku ja muid abiootiliselt moodustunud ühendeid süües – võib aidata meie pilti varasest elust teravdada.

Eelkõige jahib Brazelton spetsiifilisi ensüüme, mida mikroobid kasutavad vesiniku ja väikeste orgaaniliste ühendite energiaks muutmiseks. "Kogu mõte on selles, et kivides toimub keemia ja ühel hetkel muutub see keemia eluks," ütles Brazelton. Need ensüümid võivad olla lihtsalt nupp, mis aitab teadlastel evolutsiooni kella tagasi kerida, et dešifreerida, kuidas tekkisid varasemad ainevahetused.

Muud jõupingutused on keskendunud kivimitest võetud proovide inkubeerimisele ja sügavate mikroobide püüdmisele, selgitas Fengping Wang, geomikrobioloog, kes juhib seda tööd Shanghai Jiao Tongi ülikoolis. Wang on uurinud elu maa-aluses peaaegu kaks aastakümmet, kuid tema ja teised süvabiosfääri uurijad on suures osas otsinud ookeanisetetes peituvaid mikroobe. "Me teame kivimikroobidest väga vähe," ütles ta. "See on üks viimaseid küsimusi sügavas biosfääris: mis on kõvades kivimites?"

Vastuseid otsides pulbristas Wang laeva pardal sadu südamikuproove, asetades igaüks neist metallist reaktoritorusse või klaaspudelisse. Ta täiendas proove mitmesuguste toiduainetega – mikroobide maitsemenüüga, mis sobis tundmatu toitumise mitmekesisusega. Ja siis inkubeeris ta proove erinevatel temperatuuridel, et näha, mis kasvab.

Üldiselt asutas ta ligi 800 inkubatsiooni ja poseeris nendega laevalaboris pilti, et "näitaks minu rasket tööd", ütles ta naerdes. Pildil on iga tema ees oleva laua toll täis klaaspudeleid, mis on vaid murdosa tema koguproovidest.

Wangi esialgsed tulemused näitavad, et mõnes proovis on metaani liia, kuid kas gaas pärineb röhitsevatest mikroobidest või reageerivatest kividest, pole veel selge.

Paljude valdkondade teadlased ootavad huviga meeskonna tulemusi. "Meil on kindlasti palju parem ülevaade sellest, millised keemilised protsessid tegelikult toimuvad," ütles Yoshinori Miyazaki, California Tehnoloogiainstituudi geofüüsik.

Viimast teost ümbritsev põnevus ja võidukäik on aga ka kurbusega varjutatud. See ekspeditsioon on üks viimaseid JOIDES Resolutsioon, mis läheb pensionile 2024. aasta lõpus pärast neli aastakümmet kestnud murrangulisi teadusuuringuid ookeanivetes üle kogu maailma. Praegu puudub konkreetne plaan laeva väljavahetamiseks, mis jätab USA teadlastele ookeaniuuringutesse haigutava augu.

Selle pika ametiaja jooksul on ekspeditsioonid pardal JOIDES Resolutsioon on merepõhjast taastanud enam kui 350 kilomeetrit südamikku. Selles geoloogilises koopas on peidus palju meie planeedi mineviku saladusi – kliimamuutused, ookeanide keemia ja võib-olla ka muud vihjed elu päritolule. Kuid veelgi rohkem teavet on endiselt merepõhja kaljudes lukustatud, oodates vaid avastamist.