اعماق زیر سطح زمین، سرنخ هایی از منشا حیات | مجله کوانتا

نزدیک نیمه شب 26 مارس 1961، آبهای تیره به بدنه یک بارج دریایی تبدیل شده در حالی که در اقیانوس آرام تکان می خورد، فرود آمد. جان اشتاین بک، رمان نویس، جان اشتاین بک، پس از سه روز درگیری با دریاها، کشتی به تازگی به این نقطه رسیده بود، در حدود 240 کیلومتری شبه جزیره باجا، پس از سه روز درگیری با دریاها، خدمه با زنجیر سنگین به عرشه بسته بودند. سوار کشتی بود، بعدا برای زندگی مجله.

در بازگشت به ساحل، شایعاتی در مورد اهداف خدمه پخش شد. برخی گمان می کردند که آنها به دنبال الماس یا گنج غرق شده بودند. برخی دیگر مشکوک بودند که در حال جستجو برای یافتن مکانی برای پنهان کردن موشک در کف دریا هستند. اما اهداف تیم حتی بلندتر از وحشیانه ترین شنیده ها بود. این طرح - که در یک صبحانه الکلی در خانه زمین شناس والتر مانک در لاجولا تهیه شد - حفر سوراخی به قدری عمیق بود که از پوسته زمین عبور کند و به گوشته سیاره برسد، یک لایه سنگی داغ و سنگی که بین پوسته زمین قرار گرفته است. هسته آن

اکنون، بیش از 62 سال پس از تلاشی که به عنوان Project Mohole شناخته می شود، دانشمندان هنوز نتوانسته اند با موفقیت بخشی از پوسته زمین را حفاری کنند. اما در بهار گذشته، تیمی در عرشه چند دهه قدمت حفاری را انجام دادند وضوح JOIDES بهترین کار بعدی را انجام دادند: آنها مجموعه ای از سنگ های گوشته را از ناحیه ای از بستر اقیانوس اطلس که در آن پوسته به ویژه نازک است، بازیابی کردند. این سایت در بالای یک کوه زیردریایی معروف به توده آتلانتیس قرار دارد، جایی که جابجایی آهسته صفحات تکتونیکی، بلوک‌هایی از سنگ‌های گوشته را به سطح نزدیک‌تر کرده است.

در حالی که گوشته قسمت اعظم سیاره ما را تشکیل می دهد، سنگ های آن معمولاً کیلومترها در زیر سطح مدفون می شوند و بازیابی نمونه های تازه را سخت می کند. اما سنگ‌های گوشته مانند آنهایی که در بهار گذشته حفاری شدند، می‌توانند سرنخ‌هایی از عملکرد عمیق زمین ارائه دهند و به محققان کمک کنند تا رقص تکتونیکی را که برای جهان ما اساسی است، درک کنند.

سنگ‌های تازه جمع‌آوری‌شده همچنین ممکن است سرنخ‌هایی از یکی دیگر از ویژگی‌های تعیین‌کننده سیاره ما - حیات - داشته باشند.

هنگامی که آب دریا به سنگ گوشته برخورد می کند، مجموعه ای از واکنش های شیمیایی یک کوکتل تولید می کند که می تواند ترکیبات آلی مورد نیاز برای مشتعل کردن اولین جرقه های حیات را ایجاد کند. دانشمندان قبلاً نکاتی از مولکول‌های آلی کوچک ایجاد شده بدون کمک میکروبی در سیستم هوا گرمابی شهر گمشده، یک کلانشهر زمین‌شناسی گسترده در بالای توده آتلانتیس، یافته‌اند. برخی از دانشمندان مدت‌ها حدس می‌زنند که چنین محیط‌هایی می‌توانند اولین اشکال حیات سیاره ما را در خود پرورش دهند. اکنون، حفره اخیر این تیم که بیش از یک کیلومتر زیر کف دریا حفر شده است، به جایی رسیده است که به نظر می رسد قلب تپنده این سیستم گرمابی باشد.

گفت: "این دنیایی از امکانات را به روی ما باز می کند." سوزان لنگ، یک بیوژئوشیمیدان در موسسه اقیانوس شناسی وودز هول که اکتشاف را رهبری می کرد.

در حال حاضر، اشاراتی وجود دارد که غلظت بالایی از گاز هیدروژن در آب‌های گمانه ممکن است برای تولید سنتز آلی در دسترس باشد. این آزمایشگاه طبیعی به تیم کمک می‌کند تا منشأ خورش حیات‌بخشی را که در برج‌های شهر گمشده می‌ریزد، باز کند و به آن‌ها امکان می‌دهد شیمی آلی دنیای بدون ارگانیسم‌ها را مطالعه کنند - شیمی زندگی قبل از وجود حیات، یا زمانی که زندگی وجود داشت. بسیار کمیاب معدود میکروب‌هایی که در شرایط شدید زیرسطحی جان سالم به در می‌برند، ممکن است سرنخ‌هایی از چگونگی زندگی اولیه‌ترین موجودات ارائه دهند و در نهایت به دانشمندان کمک کنند تا مراحل اصلی تبدیل ترکیبات شیمیایی را به موجودات رمزگشایی کنند.

ساختن شهر گمشده

لانگ هنوز روزی را به یاد می آورد، حدود دو دهه پیش، زمانی که به او پیشنهاد شد در کشتی که اولین مطالعه دقیق دریچه های شهر گمشده را انجام می داد، اسکله کند. اشک شوق به چشمانش سرازیر شد. لانگ که در آن زمان دانشجوی فارغ التحصیل دانشگاه واشنگتن بود، گفت: «بدون اینکه با کسی چک کنم، بله گفتم.

شور و شوق او ماهیت انقلابی شهر گمشده را منعکس می کرد، که ستون های درخشان و شفاف آن از آب داغ برای اولین بار توسط دانشمندان در کشتی تحقیقاتی مشاهده شد. آتلانتیس در سال 2000. در آن زمان، تمام سیستم های دریچه گرمابی شناخته شده دیگر تاریک بودند، با دودکش های سیاه شده توسط سولفیدهای آتشفشانی که توده های ضخیم و دودی از مایعات داغ را به اقیانوس پمپ می کردند. اما مناره های شهر گمشده یک سفید شبح مانند بودند.

همانطور که دانشمندان به زودی دریافتند، رنگ روشن ناشی از واکنش بین آب دریا و سنگی است که در توده آتلانتیس جمع شده است. این کوه زیردریایی کمی بلندتر از کوه رینیر، عمدتاً از پریدوتیت، نوعی سنگ که بر گوشته بالایی غالب است، ساخته شده است. این کوه از جابجایی های آرام بخش الراس میانی اقیانوس اطلس تشکیل شده است، جایی که صفحات تکتونیکی آمریکای شمالی و آفریقا به آرامی از هم جدا می شوند. این جنبش پوسته بالایی را جدا کرد از قله در حال افزایش، بخش هایی از هسته پریدوتیت خود را آشکار می کند.

پریدوتیت به طور معمول زیر مایل ها از پوسته باقی می ماند. آنقدر نزدیک به سطح زمین ناپایدار است، جایی که آب دریا می تواند به شکاف های درون سنگ ها نفوذ کند. هنگامی که این اتفاق می افتد، یک ماده معدنی به نام الیوین که بر پریدوتیت غالب است، به آسانی با مولکول های آب واکنش می دهد و یک سری مراحل شیمیایی به نام سرپانتینه شدن را جرقه می زند. این فرآیند آب را به شدت قلیایی می‌کند، بنابراین وقتی مایعات از شکاف با آب تازه دریا مخلوط می‌شوند، مواد معدنی کم رنگ رسوب می‌کنند و مناره‌های خیره‌کننده شهر گمشده را می‌سازند که به ارتفاع یک ساختمان 20 طبقه.

اما یکی دیگر از محصولات جانبی سرپانتینیزاسیون، هیدروژن، لانگ و دانشمندان دیگر را برای چندین دهه به این مکان کشانده است. تحت شرایط مناسب، گاز هیدروژن می‌تواند بدون کمک میکروبی (یا غیرزیستی) به واکنش‌های شیمیایی ساده، مانند تبدیل دی اکسید کربن و آب به ترکیبات آلی کوچک کمک کند. ادامه واکنش‌ها می‌تواند مولکول‌های آلی بزرگ‌تر و پیچیده‌تر را ایجاد کند فقط ترکیب مناسبی از مواد تشکیل دهنده - قندها، چربی ها، اسیدهای آمینه - برای پختن اولین اشکال زندگی. به علاوه، هیدروژن و مواد آلی کوچک نیز ممکن است برای اولین ساکنان زمین غذا فراهم کرده باشند. لانگ گفت: «هیدروژن مانند کلید همه چیز است.

این گاز احتمالاً در زمین اولیه رایج‌تر بوده است، زمانی که ترکیب مواد معدنی سطح با امروز متفاوت بود و واکنش‌های سرپانتینه‌سازی را رایج‌تر می‌کرد.

در آتلانتیس توده، لانگ و همکارانش می خواهند بدانند که کدام ترکیبات آلی می توانند بدون کمک میکروبی تشکیل شوند و کدام میکروب ها ممکن است در این بوفه غیرمعمول زیرزمینی زنده بمانند. نتایج می‌تواند سرنخ‌هایی در مورد چگونگی زندگی اولیه‌ترین اشکال حیات و همچنین شیمی‌ای که قبل از آن میکروب‌های باستانی وجود داشت، ارائه دهد.

اما امروزه در سطح زمین، چه در بالای آب و چه در زیر آب، حیات به وفور یافت می‌شود و شناسایی ترکیباتی که بدون کمک زیست‌شناسی ساخته شده‌اند، دشوار است. این به ویژه در شهر گمشده صادق است. گفت: "شما فقط می توانید بیوفیلم های موخوره ای را ببینید که در سراسر آن دودکش ها رشد می کنند." ویلیام برازلتون، میکروبیولوژیست در دانشگاه یوتا و الف جویدز عضو تیم.

بنابراین محققان مناطق زیر بستر دریا را مورد توجه قرار دادند، جایی که میکروب‌ها کمیاب هستند و اکسیژن کمیاب است و شرایطی مشابه شرایط زمین اولیه ایجاد می‌کند. همانطور که برازلتون گفت، "ما باید به معنای واقعی کلمه عمیق تر برویم."

پیدا کردن یک آزمایشگاه طبیعی

گفت: در دهه 1960، پروژه موهول آغاز تلاش‌ها برای فروکش کردن اعماق ناشناخته سیاره ما در دوران "علم قهرمانانه" بود. دیمون تیگل، ژئوشیمیدان دانشگاه ساوتهمپتون و کهنه کار بسیاری از اکتشافات علمی حفاری اقیانوس.

این نام بازی در مورد ناپیوستگی موهورویچیچ یا موهو بود که مرز بین پوسته و گوشته را مشخص می کند. در زیر قاره ها، موهو را می توان در عمق بیش از 30 کیلومتری یافت. زیر بستر دریا، نزدیک به 7 کیلومتر است. به همین دلیل، تیم هایی که گوشته را هدف قرار می دهند معمولاً از کشتی ها حفاری را انتخاب می کنند.

Project Mohole حتی به هدف خود نزدیک نشد، فقط خسته کننده از طریق 179 متر رسوبات و تنها 4 متر سنگ کف دریا. با این حال، حتی این تلاش اطلاعات زیادی را در مورد سیاره ما نشان داد، از جمله این واقعیت که در زیر رسوبات کف دریا، سنگ‌های آتشفشانی نسبتاً جوانی پنهان شده بودند - یافته‌ای که بعداً به عنوان یک مدرک کلیدی در پرونده تکتونیک صفحه ای عمل کرد. همچنین فن‌آوری‌هایی را تولید کرد که به سیستم‌هایی تبدیل شدند که دانشمندان هنوز از آن استفاده می‌کنند، از جمله برخی از آنها روی آن وضوح JOIDES این بهار گذشته

حتی امروزه، حفاری در اعماق اقیانوس بسیار چالش برانگیز است. برای یک چیز، حفاری از طریق سنگ سخت به سرعت مته‌ها را فرسوده می‌کند، و باعث می‌شود که مته‌ها به طور منظم تغییر کنند و نیاز به ورود مجدد به همان گمانه کوچک یک کشتی کوبیدن بر روی صدها یا هزاران متر آب، که مانند انداختن یک سوزن در سوراخ سوزنی است. بدتر از آن، اکسپدیشن بهار گذشته شروع بدی داشت. در حالی که تیم در حال حفاری اولین سوراخ خلبانی خود بود، مته آنها گیر کرد و برای جلوگیری از لنگر انداختن کشتی برای همیشه به توده آتلانتیس، خدمه با انفجار دینامیت ارتباط را قطع کردند. سپس بخشی از سیستم که به مته اجازه می داد چندین بار وارد چاه شود، تکه تکه شد.

با کمی خلاقیت، آنها در نهایت به حفاری در محلی که اکنون به نام U1601C شناخته می شود، رسیدند که زیر نزدیک به 850 متر آب قرار دارد. و این زمانی بود که شانس آنها تغییر کرد.

در بیشتر اکتشافات حفاری کف دریا، پیشرفت کند است و هسته‌های سنگی هر سه ساعت یا بیشتر روی عرشه کشیده می‌شوند. اما یک بار جویدز تیم شروع به کار کرد، آنها تقریباً هر ساعت هسته‌های تازه‌ای را روی هواپیما اضافه می‌کردند. دانشمندانی که هسته‌ها را پردازش می‌کردند به سختی می‌توانستند ادامه دهند، و قبل از اینکه متوجه شوند، مته به سنگ‌های گوشته برخورد کرده بود.

قبل از این اکتشاف، دورترین کسی که تا به حال در سنگ های گوشته تغییر یافته حفاری کرده بود، بود متر 200. اما جویدز تیم آن مسافت را تنها در چند روز طی کرد و در نهایت خسته کننده بود متر 1,267.8 بیشتر پریدوتیت است. تیگل که بخشی از تعهد اخیر نبود، گفت: «این فقط قابل توجه بود.

برای لانگ، یکی از بزرگترین شگفتی ها در اعماق گمانه پنهان بود. پس از برداشتن آخرین هسته خود، خدمه سوراخ خالی را با آب تمیز شست و شو دادند و اجازه دادند مایعات و گازهای طبیعی در بیش از 72 ساعت دوباره خزش کنند. سپس آنها آب گمانه را در اعماق مختلف جمع آوری کردند و آن را برای بیش از دوازده آزمایش شیمیایی، از جمله تجزیه و تحلیل گاز هیدروژن، تقسیم کردند.

لانگ حداکثر انتظار داشت که تا کنون مقادیر کمی از هیدروژن را در زیر زمین پیدا کند. اما عمیق‌ترین نمونه آب حاوی آنقدر گاز بود که هنگام بیرون آمدن، حباب‌هایی در لوله ایجاد شد، پدیده‌ای شبیه به آنچه وقتی یک قوطی نوشابه تازه را باز می‌کنید اتفاق می‌افتد.

لانگ با یادآوری واکنش خود و برازلتون، گفت: «ما مثل یک مزخرف بودیم. فحش های زیادی در میان بود.»

آب‌ها مملو از هیدروژن هستند، سوختی که برای تولید واکنش‌های غیرزیستی مورد نیاز است.

بلوک های ساختمانی بلوک های ساختمانی

بیش از شش ماه پس از اکسپدیشن، تیم هنوز در حال پردازش تعداد زیادی از نمونه‌های خود هستند - مطالعه شیمی آب، شناسایی میکروب‌ها، شناسایی سنگ‌ها و موارد دیگر. گفت: "مردم قرار است یک سوپ الفبای کامل تجزیه و تحلیل عنصری را روی این سنگ ها انجام دهند." اندرو مک کیگ، زمین شناس دانشگاه لیدز که این اکسپدیشن را رهبری می کرد.

مدل های اولیه اشاره می کنند که دمای نزدیک به پایین گمانه ممکن است حتی به 122 درجه سانتیگراد برسد که در حال حاضر حد شناخته شده برای زندگی است (البته برخی مطالعات نشان می دهد که حد ممکن است حتی بالاتر باشد). لانگ هشدار می‌دهد که این مدل‌ها نیاز به تأیید دارند، زیرا بر اساس اندازه‌گیری‌هایی هستند که زمانی که دمای گمانه کمی توسط آب‌های خنک در گردش در حین حفاری کاهش می‌یابد، انجام می‌شود. با این حال، اگر شرایط تا این حد شدید تأیید شود، این عمق به دانشمندان اجازه می‌دهد تا واکنش‌های شیمیایی حیات‌بخش را بدون تأثیر مختل‌کننده‌ی میکروب‌ها مطالعه کنند.

این یک گام مهم رو به جلو برای دانشمندانی است که منشاء آبی حیات را مطالعه می کنند. «امروزه روی زمین، واقعاً سخت است که شاهد شیمی غیرزیست یا پری بیوتیک باشیم، زیرا حیات غالب است. زندگی همه جا هست.» لوری بارجاختر زیست شناس در آزمایشگاه رانش جت ناسا که بخشی از این اکسپدیشن نبود.

تجزیه و تحلیل های اولیه همچنین نشان می دهد که فرمت اسید آلی کوچک در آب گمانه وجود دارد. فرمت یکی از ساده‌ترین ترکیباتی است که می‌تواند به صورت غیرزیستی، از واکنش‌های بین دی‌اکسید کربن و هیدروژن تشکیل شود و ممکن است گامی اولیه به سمت اولین بارقه‌های حیات در زمین اولیه باشد.

لانگ گفت: «این ماده خام برای ساخت بلوک‌های ساختمانی است. ادامه واکنش‌های غیرزیستی با فرمت می‌تواند ترکیبات آلی بزرگ‌تری مانند اسیدهای آمینه تولید کند که می‌توانند به مولکول‌های ضروری برای زندگی مانند آنزیم‌ها و سایر پروتئین‌ها تبدیل شوند.

اما بسیاری از تصویر شیمیایی در توده آتلانتیس مبهم باقی مانده است. فرمت در اعماق گمانه ممکن است بدون کمک میکروبی تشکیل شده باشد، همانطور که در زیرسطح کم عمق تر نزدیک است، اما برای اطمینان بیشتر به آزمایشات بیشتری نیاز است. آب همچنین حاوی متان است، ترکیبی که برخی از دانشمندان فکر می‌کنند برای متابولیسم‌های اولیه حیاتی است و می‌تواند به صورت غیرزیستی از واکنش‌های هیدروژن تولید شود. اما نحوه تشکیل متان در شهر گمشده معمای دیگری است - برازلتون گفت که "پیچیده و گیج کننده است".

بارج توضیح داد که شناسایی واکنش‌های غیرزیستی در طبیعت می‌تواند به آزمایش‌های آزمایشگاهی آینده برای آزمایش شیمی پری‌بیوتیک کمک کند، جایی که محققان می‌توانند شرایط را برای شبیه‌سازی دقیق‌تر زمین اولیه یا جهان‌های دیگر تغییر دهند. او گفت: «شهر گمشده یک مکان واقعاً ویژه است.

شکار میکروب ها

حتی اگر گمانه عمیق عاری از حیات نباشد، مقدار تقریباً بی‌سابقه هسته‌های صخره‌ای بازیابی شده به دانشمندان کمک می‌کند تا تغییرات در شیمی آب و انواع سنگ‌ها را به معدود میکروب‌هایی که ممکن است از زیر زمین بیرون بیاورند، مرتبط کنند. مطالعه چگونگی زنده ماندن میکروب‌ها در میان منابع کمیاب زیرسطحی - شاید با خوردن هیدروژن و سایر ترکیبات غیرزیستی - می‌تواند به وضوح تصویر ما از زندگی اولیه کمک کند.

Brazelton به طور خاص در جستجوی آنزیم های خاصی است که میکروب ها برای تبدیل هیدروژن و ترکیبات آلی کوچک به انرژی استفاده می کنند. برازلتون گفت: «کل ایده در اینجا این است که شما شیمی در سنگ‌ها جریان دارد و در برخی مواقع، این شیمی به زندگی تبدیل می‌شود. این آنزیم‌ها ممکن است دستگیره‌ای باشند که به محققان کمک می‌کند ساعت تکاملی را به عقب برگردانند تا چگونگی پیدایش اولین متابولیسم‌ها را کشف کنند.

توضیح داد: تلاش‌های دیگر بر روی انکوباسیون نمونه‌هایی از سنگ و تلاش برای گرفتن میکروب‌های عمیق در عمل متمرکز است. فنگ پینگ وانگژئومیکروبیولوژیست که این کار را در دانشگاه جیائو تونگ شانگهای هدایت می کند. وانگ تقریباً دو دهه است که زندگی در زیرسطح را مطالعه کرده است، اما او و سایر محققان اعماق بیوسفر عمدتاً به دنبال میکروب‌هایی هستند که در رسوبات اقیانوس‌ها پنهان شده‌اند. او گفت: «ما اطلاعات کمی در مورد میکروب های سنگی داریم. "این یکی از آخرین سوالات در بیوسفر عمیق است: در سنگ های سخت چیست؟"

در جستجوی پاسخ، وانگ صدها نمونه هسته را روی کشتی پودر کرد و هر یک را در یک لوله راکتور فلزی یا بطری شیشه ای قرار داد. او نمونه‌ها را با انواع غذاها - یک منوی طعم میکروبی مناسب برای تنوع ناشناخته رژیم‌های غذایی - پر کرد. و سپس نمونه ها را در دماهای مختلف جوجه کشی کرد تا ببیند چه چیزی رشد می کند.

او با خنده گفت، در مجموع، نزدیک به 800 اتاق جوجه کشی راه اندازی کرد و با آنها در آزمایشگاه کشتی عکس گرفت "برای نشان دادن کار سخت من". در تصویر، هر اینچ از میز جلوی او پر از بطری های شیشه ای است که تنها کسری از کل نمونه های او است.

نتایج اولیه وانگ نشان می‌دهد که متان بیش از حد در برخی نمونه‌ها وجود دارد، اما اینکه آیا این گاز از آروغ زدن میکروب‌ها یا سنگ‌های واکنش‌دهنده به دست می‌آید هنوز مشخص نیست.

دانشمندان در بسیاری از زمینه ها مشتاقانه منتظر یافته های این تیم هستند. گفت: "ما قطعا دید بهتری نسبت به ... فرآیندهای شیمیایی واقعی در حال وقوع خواهیم داشت." یوشینوری میازاکی، ژئوفیزیکدان در موسسه فناوری کالیفرنیا.

با این حال، هیجان و پیروزی پیرامون آخرین اثر، با غم و اندوه نیز همراه است. این اکتشاف یکی از آخرین برای وضوح JOIDESکه در پایان سال 2024 پس از چهار دهه تحقیق پیشگامانه در آب های اقیانوس در سراسر جهان بازنشسته خواهد شد. در حال حاضر هیچ طرح مشخصی برای جایگزینی این کشتی وجود ندارد، که حفره‌ای در تحقیقات اقیانوسی برای دانشمندان آمریکایی ایجاد می‌کند.

در طول مدت تصدی خود، اکسپدیشن ها در هیئت مدیره وضوح JOIDES بیش از 350 کیلومتر هسته از بستر دریا بازیابی شده است. در این گنجینه زمین شناسی رازهای بسیاری از گذشته سیاره ما پنهان است - تغییرات آب و هوا، شیمی اقیانوس ها، و شاید سرنخ های دیگری از منشاء حیات. اما اطلاعات بیشتری هنوز در صخره‌های کف دریا محبوس است و فقط منتظر کشف شدن است.