Syvällä maan pinnan alla, vihjeitä elämän alkuperästä | Quanta-lehti

Lähes puoltayötä 26. maaliskuuta 1961 tummat vedet lipsahtelivat muunnetun laivaston proomun rungossa, kun se keinui vaimeasti Tyynellämerellä. Laiva oli juuri saapunut tähän paikkaan, noin 240 kilometriä Bajan niemimaalta, kolmen päivän taistelujen jälkeen, jotka olivat niin kovat, että miehistö oli kiinnittänyt varusteet kannelle raskailla ketjuilla, "kuin rikollinen elefantti", kirjailija John Steinbeck. oli aluksella, kirjoitti myöhemmin puolesta elämä aikakauslehti.

Rannalla taas lensi huhuja miehistön tavoitteista. Jotkut spekuloivat metsästävänsä timantteja tai upotettuja aarteita. Toiset epäilivät, että he etsivät paikkaa, jossa merenpohjaan voitaisiin kätkeä ohjus. Mutta joukkueen tavoitteet olivat jopa ylemmät kuin villeimmät kuulopuheet. Geologi Walter Munkin La Jollan kodissa alkoholipitoisella aamiaisella haudottu suunnitelma oli porata niin syvä reikä, että se tunkeutuisi maankuoren läpi ja saavuttaisi planeetan vaipan, kuuman, kivisen kerroksen maankuoren ja maankuoren välissä. sen ydin.

Nyt, yli 62 vuotta Mohole-projektina tunnetun ponnistelun jälkeen, tiedemiehet eivät ole vieläkään onnistuneet poraamaan ehjää maankuoren osaa. Mutta viime keväänä joukkue kyytiin vuosikymmeniä vanhan harjoituslaivan JOIDES-resoluutio saavuttivat toiseksi parhaan: He hakivat manttelikiviä Atlantin merenpohjan alueelta, jossa kuori on erityisen ohutta. Paikka on Atlantis Massif -nimisen sukellusvenevuoren huipulla, jossa tektonisten laattojen hitaat siirtymät ovat työntäneet vaippakivilohkoja lähemmäs pintaa.

Vaikka vaippa muodostaa suurimman osan planeetastamme, sen kivet ovat yleensä haudattu kilometrien päähän pinnan alle, mikä tekee tuoreista näytteistä vaikeasti löydettävissä. Mutta vaippakivet, kuten viime keväänä kaivetut kivet, voivat tarjota vihjeitä Maan syvällisistä toiminnoista ja auttaa tutkijoita ymmärtämään paremmin tektonista koreografiaa, joka on perustavanlaatuinen maailmallemme.

Äskettäin kerätyt kivet voivat myös sisältää vihjeitä toisesta planeettamme määrittävästä piirteestä - elämästä.

Kun merivesi kohtaa vaippakiven, sarja kemiallisia reaktioita synnyttää cocktailin, joka voi luoda orgaanisia yhdisteitä, joita tarvitaan elämän ensimmäisten kipinöiden sytyttämiseen. Tiedemiehet ovat jo löytäneet vihjeitä pienistä orgaanisista molekyyleistä, jotka on luotu ilman mikrobiapua Lost Cityn hydrotermisestä ilmanpoistojärjestelmästä, joka on Atlantis Massifin huipulla rönsyilevä geologinen metropoli. Jotkut tutkijat ovat pitkään spekuloineet, että tällaiset ympäristöt olisivat voineet inkuboida planeettamme varhaisimpia elämänmuotoja. Nyt tiimin äskettäin porattu reikä, joka porautui yli kilometriä merenpohjan alapuolelle, on ulottunut tämän hydrotermisen järjestelmän sykkiväksi sydämeksi.

"Se avaa meille mahdollisuuksien maailman", sanoi Susan Lang, Woods Hole Oceanographic Institutionin biogeokemisti, joka johti tutkimusmatkaa.

Jo nyt on vihjeitä siitä, että suuria vetykaasupitoisuuksia porausreikien vesissä saattaa olla saatavilla orgaanisen synteesin tehostamiseksi. Tämä luonnollinen laboratorio lupaa auttaa tiimiä selvittämään Lost Cityn tornien läpi tihkuvan elämää antavan muhennoksen alkuperän, jolloin he voivat tutkia maailman orgaanista kemiaa ilman organismeja – elämän kemiaa ennen elämän olemassaoloa tai elämän syntyhetkellä. erittäin niukasti. Muutamat mikrobit, jotka selviävät äärimmäisistä maanalaisista olosuhteista, voivat myös tarjota vihjeitä siitä, kuinka varhaisimmat olennot saivat elantonsa, mikä auttaa viime kädessä tutkijoita ymmärtämään keskeisiä vaiheita, jotka muuttivat kemialliset yhdisteet olentoiksi.

Kadonneen kaupungin rakentaminen

Lang muistaa vieläkin päivän, noin kahden vuosikymmenen takaisen, jolloin hänelle tarjottiin paikkaa aluksella, joka suoritti ensimmäistä yksityiskohtaista tutkimusta Lost Cityn tuuletusaukoista. Jännityksen kyyneleet tulvivat hänen silmissään. "Sanoin kyllä ​​kysymättä keneltäkään", sanoi Lang, joka oli tuolloin Washingtonin yliopiston jatko-opiskelija.

Hänen kiihkeytensä heijasti Lost Cityn vallankumouksellista luonnetta, jonka hohtavat, läpikuultavat kuuman veden pylväät havaitsivat ensin tutkijat tutkimusaluksella. Atlantis Vuonna 2000. Tuolloin kaikki muut tunnetut hydrotermiset tuuletusjärjestelmät olivat tummia, ja vulkaanisten sulfidien mustentamat savupiiput pumppasivat paksuja, savuisia polttonesteen pilviä valtamereen. Mutta Lost Cityn tornit olivat aavemaisen valkoisia.

Kuten tiedemiehet pian oppivat, vaalea sävy johtuu meriveden ja Atlantis Massifissa olevan kiven välisistä reaktioista. Hieman Rainier-vuorta korkeampi sukellusvenevuori on suurelta osin tehty peridotiittista, eräänlaisesta kalliosta, joka hallitsee ylävaippaa. Vuori muodostui läheisen Keski-Atlantin harjanteesta, jossa Pohjois-Amerikan ja Afrikan tektoniset levyt irtoavat hitaasti toisistaan. Tämä liike kuorinut yläkuoren nousevasta huipulta paljastaen sen peridotiittiytimen osia.

Peridotiitti viipyy yleensä mailien kuoren alla. Se on epävakaa niin lähellä maan pintaa, jossa merivesi voi hiipiä kivien halkeamiin. Kun näin tapahtuu, peridotiittia hallitseva oliviini-niminen mineraali reagoi helposti vesimolekyylien kanssa aiheuttaen sarjan kemiallisia vaiheita, joita kutsutaan serpentinisoitumiseksi. Prosessi tekee vedestä erittäin emäksistä, joten kun rakosta tulevat nesteet sekoittuvat tuoreen meriveden kanssa, vaaleat mineraalit saostuvat ja rakentavat Lost Cityn upeita torneja, jotka ovat yhtä korkeita kuin 20-kerroksinen rakennus.

Mutta toinen serpentinisoitumisen sivutuote, vety, on vetänyt Langin ja muita tutkijoita paikalle vuosikymmeniä. Oikeissa olosuhteissa vetykaasu voi ruokkia yksinkertaisia ​​kemiallisia reaktioita, kuten hiilidioksidin ja veden muuttamista pieniksi orgaanisiksi yhdisteiksi ilman mikrobiapua (tai abioottisesti). Jatkuvat reaktiot voisivat luoda suurempia ja monimutkaisempia orgaanisia molekyylejä, ehkä käsityötä juuri oikea ainesosien sekoitus — sokerit, rasvat, aminohapot — varhaisimpien elämänmuotojen keittämiseen. Lisäksi vety ja pienet orgaaniset aineet ovat saattaneet tarjota ruokaa myös maapallon varhaisimpia asukkaille. "Vety on kuin avain kaikkeen", Lang sanoi.

Tämä kaasu oli todennäköisesti yleisempää varhaisessa maassa, jolloin pinnan mineraalikoostumus poikkesi nykyisestä, mikä teki serpentinisaatioreaktioista yleisempiä.

Atlantis Massifilla Lang ja hänen kollegansa haluavat tietää, mitä orgaanisia yhdisteitä voi muodostua ilman mikrobien apua ja mitkä mikrobit voivat selviytyä tästä epätavallisesta maanalaisesta buffetista. Tulokset voivat tarjota vihjeitä siitä, kuinka varhaisimmat elämänmuodot saivat elantonsa, sekä kemiasta, joka edelsi noita muinaisia ​​mikrobeja.

Mutta nykyään Maan pinnalla on runsaasti elämää, sekä veden ylä- että alapuolella, minkä vuoksi on vaikeaa tunnistaa yhdisteitä, jotka on valmistettu ilman biologian apua. Tämä pätee erityisesti Lost Cityssä. "Voit vain nähdä räkäiset biofilmit kasvavan kaikkialla noissa savupiipuissa", sanoi William Brazelton, mikrobiologi Utahin yliopistosta ja a JOIDES tiimin jäsen.

Niinpä tutkijat kohdistavat huomionsa merenpohjan alapuolelle, missä mikrobeja on harvassa ja happea on vähän, mikä luo samanlaisia ​​olosuhteita kuin varhaisessa Maan päällä. Kuten Brazelton sanoi: "Meidän täytyy kirjaimellisesti mennä syvemmälle."

Luonnollisen laboratorion löytäminen

1960-luvulla Project Mohole aloitti ponnistelut planeettamme tutkimattomien syvyyksien upottamiseksi "sankarillisen tieteen" aikana. Damon Teagle, geokemisti Southamptonin yliopistossa ja monien tieteellisten valtamerten porausretkien veteraani.

Nimi oli näytelmä Mohorovičićin epäjatkuvuudesta tai Mohosta, joka määrittelee rajan kuoren ja vaipan välillä. Mannerten alla Moho löytyy yli 30 kilometrin syvyydestä; merenpohjan alla, se on lähempänä 7 kilometriä. Tämän vuoksi vaippaan tähtäävät tiimit päättävät yleensä porata laivoista.

Project Mohole ei päässyt edes lähelle tavoitettaan tylsää läpi 179 metriä sedimenttejä ja vain 4 metriä merenpohjakiveä. Silti tämäkin ponnistus paljasti runsaasti tietoa planeetastamme, mukaan lukien se tosiasia, että merenpohjan sedimenttien alla piilossa oli suhteellisen nuoria vulkaanisia kiviä – löytö, joka myöhemmin toimi keskeisenä todisteena levytektoniikan tapauksessa. Se tuotti myös teknologioita, joista on kehittynyt tutkijoiden edelleen käyttämiä järjestelmiä, mukaan lukien jotkut aluksella JOIDES-resoluutio viime keväänä.

Jopa tänä päivänäkin syvänmeren poraus on valtavan haastavaa. Ensinnäkin kovan kiven läpi poraaminen kuluttaa poranterät nopeasti, mikä pakottaa säännölliset teränvaihdot ja tarpeen palata samaan pieneen porausreikään laiva keinuminen satojen tai tuhansien metrien pinnalla, mikä on kuin pudottaisi neulan reikään. Vielä pahempaa on, että viime kevään tutkimusmatka alkoi epäsuotuisasti. Kun joukkue porasi ensimmäistä luotsireikää, heidän poranterä juuttui, ja estääkseen laivan ankkuroimisen ikuisesti Atlantis Massifiin miehistö katkaisi yhteyden dynamiittiräjähdyksellä. Sitten osa järjestelmästä, joka mahdollisti porauksen palaamisen porausreikään useita kertoja, hajosi palasiksi.

Pienellä luovuudella he pääsivät vihdoin poraamaan paikassa, joka tunnetaan nykyään nimellä U1601C ja joka sijaitsee lähes 850 metrin syvyydessä. Ja silloin heidän onnensa muuttui.

Useimmilla merenpohjan porausretkillä eteneminen on hidasta, ja kivisydämiä vedetään kannelle noin kolmen tunnin välein. Mutta kerran JOIDES tiimi pääsi vauhtiin, he nostivat tuoreita ytimiä aluksella lähes joka tunti. Sydämiä käsittelevät tutkijat pystyivät tuskin pysymään perässä, ja ennen kuin he huomasivatkaan, poranterä oli osunut vaippakiviin.

Ennen tätä tutkimusmatkaa kauimpana kukaan oli koskaan porannut muuttuneisiin vaippakiviin 200 metriä. Mutta JOIDES tiimi kulki tuon matkan vain muutamassa päivässä, lopulta tylsää 1,267.8 metriä enimmäkseen peridotiittia. "Se oli vain merkittävää", sanoi Teagle, joka ei ollut mukana viimeaikaisessa hankkeessa.

Langille yksi suurimmista yllätyksistä piileskeli syvällä porausreiässä. Viimeisen ytimen poistamisen jälkeen miehistö huuhteli tyhjän reiän puhtaalla vedellä ja antoi luonnollisten nesteiden ja kaasujen hiipiä takaisin yli 72 tunnissa. Sitten he keräsivät porausreiän veden eri syvyyksiltä ja jakoivat sen yli tusinaa kemiallista testiä varten, mukaan lukien vetykaasuanalyysi.

Enimmillään Lang odotti löytävänsä pieniä määriä vetyä toistaiseksi maan alta. Mutta syvin vesinäyte sisälsi niin paljon kaasua, että kun se nousi pinnalle, putkeen muodostui kuplia, samanlainen ilmiö kuin silloin, kun avaat tuoreen soodatölkin.

"Olimme kuin pyhä paska", Lang sanoi ja muisteli omaa ja Brazeltonin reaktiota. "Siihen kuului paljon kiroilua."

Vedet ovat täynnä vetyä, polttoainetta, jota tarvitaan abioottisten reaktioiden käynnistämiseen.

Rakennuspalikoiden rakennuspalikoita

Yli kuusi kuukautta tutkimusmatkan jälkeen ryhmä käsittelee edelleen valtavaa määrää näytteitään – tutkii vesikemiaa, tunnistaa mikrobeja, karakterisoi kiviä ja paljon muuta. "Ihmiset tekevät kokonaisen aakkoskeiton alkuaineanalyyseistä näille kiville", sanoi Andrew McCaig, Leedsin yliopiston geologi, joka johti tutkimusmatkaa.

Alustavat mallit viittaavat siihen, että reiän pohjan lähellä lämpötilat voivat nousta jopa 122 celsiusasteeseen, joka on tällä hetkellä tiedossa oleva elinikäraja (tosin joitakin tutkimuksia ehdottaa, että raja saattaa olla vielä korkeampi). Lang varoittaa, että mallit vaativat vahvistusta, koska ne perustuvat mittauksiin, jotka tehtiin, kun porauksen aikana kiertävät kylmät vedet alensivat hieman porausreiän lämpötiloja. Jos olosuhteet kuitenkin vahvistetaan näin äärimmäisiksi, syvyys antaisi tutkijoille mahdollisuuden tutkia elämää ruokkivia kemiallisia reaktioita ilman mikrobien hämmentävää vaikutusta.

Tämä olisi merkittävä askel eteenpäin tutkijoille, jotka tutkivat elämän vetistä alkuperää. "Tänään maapallolla on todella vaikeaa nähdä abioottista tai prebioottista kemiaa, koska elämä hallitsee; elämää on kaikkialla", sanoi Laurie Barge, NASAn Jet Propulsion Laboratoryn astrobiologi, joka ei ollut osa retkikuntaa.

Varhaiset analyysit viittaavat myös siihen, että pientä orgaanista happoformiaattia on läsnä porausreiän vedessä. Formaatti on yksi yksinkertaisimmista yhdisteistä, jotka voivat muodostua abioottisesti hiilidioksidin ja vedyn välisistä reaktioista, ja se voi olla ensimmäinen askel kohti elämän ensimmäisiä pilkkuja varhaisessa maassa.

"Se on raaka-aine rakennuspalikoiden rakentamiseen", Lang sanoi. Jatkuvat abioottiset reaktiot formiaatin kanssa voivat tuottaa suurempia orgaanisia yhdisteitä, kuten aminohappoja, jotka voidaan yhdistää elämälle välttämättömiksi molekyyleiksi, kuten entsyymeiksi ja muihin proteiineihin.

Mutta suuri osa kemiallisesta kuvasta on sumeaa Atlantis Massifissa. Formaatti syvällä kairanreiässä on saattanut muodostua ilman mikrobiapua, kuten se on tapahtunut läheisessä matalammassa pinnassa, mutta varmuuden vuoksi tarvitaan lisää testausta. Vesi sisältää myös metaania, yhdistettä, jonka jotkut tutkijat uskovat olevan elintärkeä varhaiselle aineenvaihdunnolle ja jota voitaisiin tuottaa abioottisesti reaktioista vedyn kanssa. Mutta kuinka metaania muodostuu Lost Cityssä, on toinen mysteeri - se on "monimutkaista ja hämmentävää", Brazelton sanoi.

Abioottisten reaktioiden tunnistaminen luonnossa voisi olla hyödyllistä tuleville laboratoriokokeille, joissa testataan prebioottista kemiaa, jossa tutkijat voivat säätää olosuhteita simuloidakseen tarkemmin varhaista maapalloa tai muita maailmoja, Barge selitti. "Lost City on todella erityinen paikka", hän sanoi.

Mikrobien metsästys

Vaikka syvässä kairareiässä ei olisikaan elämää, talteen otettujen kivisydämien lähes ennennäkemätön määrä auttaa tutkijoita yhdistämään veden kemian ja kivityyppien muutokset niihin harvoihin mikrobeihin, jotka saattavat synnyttää elävän maan alla. Sen tutkiminen, kuinka mikrobit selviävät niukkojen maanalaisten luonnonvarojen keskellä – ehkä syömällä vetyä ja muita abioottisesti muodostuneita yhdisteitä – voisi auttaa terävöittämään kuvaamme varhaisesta elämästä.

Erityisesti Brazelton etsii tiettyjä entsyymejä, joita mikrobit käyttävät muuttaakseen vedyn ja pienet orgaaniset yhdisteet energiaksi. "Koko ajatus tässä on se, että kivissä tapahtuu kemiaa, ja jossain vaiheessa se kemia muuttuu elämäksi", Brazelton sanoi. Nämä entsyymit voivat olla vain nuppi, joka auttaa tutkijoita kelaamaan evoluution kelloa taaksepäin selvittääkseen, miten varhaisimmat aineenvaihduntat syntyivät.

Muut ponnistelut keskittyvät kivinäytteiden inkuboimiseen ja syvien mikrobien tavoittamiseen toiminnassa, selitti Fengping Wang, geomikrobiologi, joka johtaa tätä työtä Shanghai Jiao Tong -yliopistossa. Wang on tutkinut maanalaista elämää lähes kahden vuosikymmenen ajan, mutta hän ja muut syvän biosfäärin tutkijat ovat suurelta osin etsineet valtamerten sedimentteihin piiloutuneita mikrobeja. "Tiedämme hyvin vähän kivimikrobeista", hän sanoi. "Se on yksi viimeisistä kysymyksistä syvällä biosfäärissä: Mitä kovissa kivissä on?"

Etsiessään vastauksia Wang jauhasi satoja ydinnäytteitä aluksella ja asetti jokaisen metalliseen reaktoriputkeen tai lasipulloon. Hän lisäsi näytteitä erilaisilla elintarvikkeilla - mikrobien maistelumenulla, joka soveltuu tuntemattomiin ruokavalioihin. Ja sitten hän inkuboi näytteitä eri lämpötiloissa nähdäkseen, mikä kasvaisi.

Kaiken kaikkiaan hän perusti lähes 800 hautomoa ja poseerasi heidän kanssaan kuvassa laivan laboratoriossa "näyttääkseen kovan työni", hän sanoi nauraen. Kuvassa jokainen sen edessä oleva pöytä on täynnä lasipulloja, jotka ovat vain murto-osa hänen näytteistään.

Wangin alustavat tulokset paljastavat joissakin näytteissä ylimäärän metaania, mutta siitä, tuleeko kaasu röyhtäilevistä mikrobeista vai reagoivista kivistä, ei ole vielä selvää.

Monien alojen tutkijat odottavat innolla ryhmän tuloksia. "Meillä on varmasti paljon parempi näkemys siitä, mitä todellisia kemiallisia prosesseja tapahtuu", sanoi Yoshinori Miyazaki, geofyysikko California Institute of Technologyssa.

Viimeisimmän teoksen ympärillä oleva jännitys ja voitto on kuitenkin myös surun sävyinen. Tämä tutkimusmatka on yksi viimeisistä JOIDES-resoluutio, joka jää eläkkeelle vuoden 2024 lopussa neljän vuosikymmenen uraauurtavan tutkimuksen jälkeen valtamerivesillä ympäri maailmaa. Tällä hetkellä ei ole konkreettista suunnitelmaa aluksen korvaamiseksi, mikä jättää yhdysvaltalaisille tutkijoille aukon valtameren tutkimukseen.

Sen pitkän toimikauden aikana tutkimusmatkoja aluksella JOIDES-resoluutio ovat keränneet merenpohjasta yli 350 kilometriä ytimiä. Tämän geologisen kaivon sisällä on monia planeettamme menneisyyden salaisuuksia – ilmaston muutoksia, valtamerien kemiaa ja ehkä muita vihjeitä elämän alkuperästä. Mutta vielä enemmän tietoa on edelleen lukittuna merenpohjan kallioihin odottamassa paljastumista.