Mélyen a Föld felszíne alatt, nyomok az élet eredetéhez | Quanta Magazin

26. március 1961-án éjfél közelében sötét vizek csaptak bele egy átalakított haditengerészeti uszály törzsébe, amint az kínosan ringatózott a Csendes-óceánon. A hajó éppen megérkezett erre a helyre, mintegy 240 kilométerre a Baja-félszigettől, miután három napos tengeri harc után a legénység nehéz láncokkal kötötte a felszerelést a fedélzetre, „mint egy szélhámos elefánt” – mondta John Steinbeck regényíró, aki a hajó fedélzetén volt, később a számára írt élet magazin.

Visszatérve a partra pletykák röpködtek a legénység céljairól. Néhányan azt feltételezték, hogy gyémántokra vagy elsüllyedt kincsekre vadásznak. Mások azt gyanították, hogy helyet keresnek, ahol rakétát helyezhetnek el a tengerfenéken. De a csapat céljai még a legvadabb pletykáknál is magasztosabbak voltak. A terv – amelyet Walter Munk geológus La Jolla-i otthonában egy alkohollal átitatott reggeli során dolgozott ki – az volt, hogy olyan mély lyukat fúrjanak, amely áthatol a földkérgen, és eléri a bolygó köpenyét, amely egy forró, sziklás réteg a földkéreg és a földkéreg között. a magja.

Most, több mint 62 évvel a Mohole Project néven ismert erőfeszítés után, a tudósoknak még mindig nem sikerült sikeresen átfúrniuk a földkéreg egy érintetlen részét. De az elmúlt tavasszal egy csapat a több évtizedes fúróhajó fedélzetén a JOIDES felbontás elérték a következő legjobb dolgot: egy rakás köpenykőzetet gyűjtöttek ki az Atlanti-óceán fenekének egy olyan területéről, ahol a kéreg különösen vékony. A helyszín az Atlantis Massif néven ismert tengeralattjáró hegy tetején található, ahol a tektonikus lemezek lassú eltolódása köpenykőtömböket lökött közelebb a felszínhez.

Míg bolygónk nagy részét a köpeny alkotja, kőzetei általában kilométerekkel a felszín alatt vannak eltemetve, így a friss minták nehezen kinyerhetők. A tavaly tavasszal feltárt köpenykőzetek azonban támpontokat adhatnak a Föld mélységi működéséhez, és segíthetnek a kutatóknak abban, hogy jobban megértsék a világunk számára alapvető tektonikus koreográfiát.

Az újonnan gyűjtött kőzetek bolygónk egy másik meghatározó jellemzőjére, az életre is utalhatnak.

Amikor a tengervíz találkozik a köpenykővel, kémiai reakciók sorozata koktélt hoz létre, amely képes létrehozni az élet első szikráinak meggyújtásához szükséges szerves vegyületeket. A tudósok már találtak utalásokat kis szerves molekulákra, amelyeket mikrobiális segítség nélkül hoztak létre a Lost City hidrotermikus szellőzőrendszerben, amely egy kiterjedt geológiai metropolisz az Atlantis Massif tetején. Egyes tudósok régóta feltételezik, hogy az ilyen környezetek inkubálhatták bolygónk legkorábbi életformáit. A csapat nemrégiben fúrt lyuka, amely több mint egy kilométerrel a tengerfenék alatt fúródott, belenyúlt a hidrotermális rendszer dobogó szívébe.

„Ez a lehetőségek világát nyitja meg előttünk” – mondta Susan Lang, a Woods Hole Oceanográfiai Intézet biogeokémikusa, az expedíció társvezetője.

Már most is vannak arra utaló jelek, hogy a fúrólyuk vizeiben nagy koncentrációjú hidrogéngáz állhat rendelkezésre a szerves szintézis meghajtására. Ez a természetes laboratórium azt ígéri, hogy segít a csapatnak felderíteni az éltető pörkölt eredetét, amely a Lost City tornyain keresztül csordogál, lehetővé téve számukra, hogy tanulmányozzák egy élőlények nélküli világ szerves kémiáját – az élet kémiáját az élet létezése előtt, vagy amikor az élet létezett. rendkívül szűkös. Az a néhány mikroba, amely túléli a szélsőséges felszín alatti körülményeket, arra is utalhat, hogy a legkorábbi lények hogyan kerestek megélhetést, végső soron segítve a tudósokat megfejteni azokat a kulcsfontosságú lépéseket, amelyek a kémiai vegyületeket lényekké alakították.

Egy elveszett város építése

Lang még emlékszik arra a körülbelül két évtizeddel ezelőtti napra, amikor felkínáltak neki egy kikötőhelyet azon a hajón, amely az elveszett város szellőzőinek első részletes tanulmányozását végezte. Az izgalom könnyei öntötték el a szemét. „Anélkül mondtam igent, hogy bárkivel is megkérdeztem volna” – mondta Lang, aki akkor a Washingtoni Egyetem végzős hallgatója volt.

Lelkesedése tükrözte Lost City forradalmi természetét, amelynek csillogó, áttetsző forró vízoszlopait először a kutatók észlelték a kutatóhajó fedélzetén. Atlantis 2000-ben. Abban az időben az összes többi ismert hidrotermikus szellőzőrendszer sötét volt, a vulkáni szulfidok által megfeketedett kémények vastag, füstös csóvákat pumpáltak égető folyadékot az óceánba. De a Lost City tornyai kísérteties fehérek voltak.

Amint a tudósok hamarosan megtudták, a világos árnyalat a tengervíz és az Atlantisz-hegységben megbúvó kőzet reakcióiból származik. Ez a Rainier-hegynél kicsit magasabb tengeralattjáró-hegy nagyrészt peridotitból áll, amely a köpeny felső részét uralja. A hegy a közeli közép-atlanti gerinc nyugodt mozdulataiból alakult ki, ahol az észak-amerikai és afrikai tektonikus lemezek lassan szétválnak. Ezt a mozgást lecsupaszította a felső kérget az emelkedő csúcsról, feltárva peridotit magjának sávjait.

A peridotit általában mérföldnyi kéreg alatt húzódik meg. Instabil olyan közel a Föld felszínéhez, ahol a tengervíz bekúszhat a sziklák repedéseibe. Amikor ez megtörténik, a peridotitban uralkodó olivin nevű ásvány könnyen reakcióba lép a vízmolekulákkal, és egy sor kémiai lépést indít el, amelyet szerpentinizációnak neveznek. A folyamat erősen lúgossá teszi a vizet, így amikor a résből származó folyadékok friss tengervízzel keverednek, halvány ásványok válnak ki, és felépítik a Lost City lenyűgöző tornyait, amelyek olyan magasak, mint egy 20 emeletes épület.

De a szerpentinizáció egy másik mellékterméke, a hidrogén évtizedek óta vonzotta Lang és más tudósok figyelmét a helyszínre. Megfelelő körülmények között a hidrogéngáz egyszerű kémiai reakciókat indíthat el, például a szén-dioxidot és a vizet kis szerves vegyületekké alakíthatja, mikrobiális segítség nélkül (vagy abiotikusan). A folyamatos reakciók nagyobb és összetettebb szerves molekulákat hozhatnak létre, esetleg megalkotva csak az összetevők megfelelő keveréke – cukrok, zsírok, aminosavak – a legkorábbi életformák főzésére. Ráadásul a hidrogén és a kis szerves anyagok táplálékot is adhattak a Föld legkorábbi lakóinak. „A hidrogén mindennek a kulcsa” – mondta Lang.

Ez a gáz valószínűleg gyakoribb volt a korai Földön, amikor a felszín ásványi összetétele eltért a maitól, ami gyakoribbá tette a szerpentinizációs reakciókat.

Az Atlantis Massifnál Lang és munkatársai tudni akarják, mely szerves vegyületek képződhetnek mikrobiális segítség nélkül, és mely mikrobák maradhatnak életben ezen a szokatlan földalatti büfén. Az eredmények támpontokat adhatnak arra vonatkozóan, hogyan kerestek megélhetést a legkorábbi életformák, valamint az ősi mikrobákat megelőző kémiáról.

De manapság bővelkedik élet a Föld felszínén, a víz felett és alatt egyaránt, így nehéz azonosítani azokat a vegyületeket, amelyek biológia segítsége nélkül készültek. Ez különösen igaz a Lost Cityre. „Csak látja, ahogy a takonyos biofilmek nőnek azokon a kéményeken” – mondta William Brazelton, a Utah Egyetem mikrobiológusa és a JOIDES csapat tagja.

Ezért a kutatók a tengerfenék alatti birodalmakra vették tekintetüket, ahol ritkák a mikrobák és kevés az oxigén, ami a korai Földhöz hasonló feltételeket teremt. Ahogy Brazelton mondta: "Szó szerint mélyebbre kell mennünk."

Természetes laboratórium keresése

Az 1960-as években a Project Mohole jelentette a kezdetét azoknak az erőfeszítéseknek, amelyek a bolygónk feltáratlan mélységeit célozták meg a „hősi tudomány” idején. Damon Teagle, a Southamptoni Egyetem geokémikusa és számos tudományos óceánfúrási expedíció veteránja.

A név a Mohorovičić-féle folytonossági zavar, vagy Moho játéka volt, amely meghatározza a határt a kéreg és a köpeny között. A kontinensek alatt a Moho több mint 30 kilométer mélyen található; a tengerfenék alatt, közelebb van a 7 kilométerhez. Emiatt a köpenyt célzó csapatok általában a hajókról való fúrást választják.

A Mohole projekt meg sem közelítette célját, csak unalmas keresztül 179 méter üledék és mindössze 4 méter tengerfenéki szikla. Ám még ez az erőfeszítés is rengeteg információt tárt fel bolygónkról, többek között azt a tényt, hogy a tengerfenék üledékei alatt viszonylag fiatal vulkáni kőzetek rejtőztek – ez a lelet később kulcsfontosságú bizonyítékként szolgált a lemeztektonika ügyében. Olyan technológiákat is előállított, amelyekből a tudósok még ma is használt rendszerei lettek, köztük néhány a fedélzeten JOIDES felbontás az elmúlt tavasszal.

A mélytengeri fúrások azonban még ma is óriási kihívást jelentenek. Egyrészt a kemény kőzet átfúrása gyorsan elhasználja a fúrószárakat, ami rendszeres fúrócserére kényszeríti, és újra be kell lépni ugyanabba az apró fúróba. hajó több száz vagy több ezer méteres víz tetején billegetni, ami olyan, mintha tűt ejtenénk a lyukba. Tovább rontja a helyzetet, hogy a tavaly tavaszi expedíció szerencsétlenül indult. Amíg a csapat az első pilótalyukat fúrta, a fúrófejük elakadt, és hogy a hajót ne örökre lehorgonyozzák az Atlantis-hegységhez, a legénység egy dinamit robbanással megszakította a kapcsolatot. Ekkor darabokra tört a rendszer egy része, amely lehetővé tette, hogy a fúró többször újra behatoljon a fúrólyukba.

Egy kis kreativitással végül hozzáfogtak a fúráshoz a ma U1601C néven ismert helyszínen, amely közel 850 méteres víz alatt fekszik. És ekkor megváltozott a szerencséjük.

A legtöbb tengerfenék-fúró expedíción lassú az előrehaladás, körülbelül háromóránként sziklás magokat vonszolnak a fedélzetre. De egyszer a JOIDES A csapat beindult, szinte óránként szállítottak friss magokat a fedélzetre. A magokat feldolgozó tudósok alig tudtak lépést tartani, és mielőtt észrevették volna, a fúrófej a köpeny szikláiba ütközött.

Ez az expedíció előtt a legmesszebb fúródott, aki valaha megváltozott köpenykőzetekbe fúrt 200 méter. De a JOIDES a csapat mindössze néhány nap alatt tette meg ezt a távot, végül unalmasan 1,267.8 méter többnyire peridotit. „Egyszerűen figyelemre méltó volt” – mondta Teagle, aki nem volt része a közelmúltbeli vállalkozásnak.

Lang számára az egyik legnagyobb meglepetés a fúrólyuk mélyén rejtőzött. Az utolsó mag eltávolítása után a legénység tiszta vízzel átöblítette az üres lyukat, és több mint 72 órán belül hagyta visszakúszni a természetes folyadékokat és gázokat. Ezután különböző mélységekben összegyűjtötték a fúrólyuk vizét, és több mint egy tucat kémiai vizsgálathoz, köztük a hidrogéngáz elemzéshez, felosztották.

Lang legfeljebb nyomnyi hidrogént várt eddig a föld alatt. A legmélyebb vízminta azonban annyi gázt tartalmazott, hogy a felszínre kerüléskor buborékok keletkeztek a csőben, ami hasonló ahhoz, mint amikor feltörnek egy friss üdítős dobozt.

„Olyanok voltunk, mint a szent szar” – mondta Lang, felidézve saját reakcióját és Brazeltonét. – Sok káromkodás volt benne.

A vizek tele vannak hidrogénnel, az abiotikus reakciókhoz szükséges üzemanyaggal.

Az építőkockák építőkockái

Több mint hat hónappal az expedíció után a csapat még mindig feldolgozza hatalmas számú mintáját – tanulmányozza a víz kémiáját, azonosítja a mikrobákat, jellemzi a kőzeteket és így tovább. "Az emberek egy egész ábécé levest elemanalízist fognak végezni ezeken a sziklákon" - mondta Andrew McCaig, a Leedsi Egyetem geológusa, az expedíció társvezetője.

Az előzetes modellek arra utalnak, hogy a fúrólyuk alja közelében a hőmérséklet akár a 122 Celsius-fokot is elérheti, az élet jelenleg ismert határát (bár néhány tanulmány arra utal, hogy a határ még magasabb is lehet). Lang felhívja a figyelmet arra, hogy a modellek megerősítést igényelnek, mert olyan méréseken alapulnak, amelyeket akkor végeztek, amikor a fúrás során keringő hideg víz enyhén elnyomta a fúrólyuk hőmérsékletét. Ha azonban bebizonyosodik, hogy a körülmények ilyen szélsőségesek, a mélység lehetővé tenné a tudósok számára, hogy a mikrobák zavaró hatása nélkül tanulmányozzák az életet tápláló kémiai reakciókat.

Ez jelentős előrelépés lenne az élet vizes eredetét kutató tudósok számára. „Ma a Földön nagyon nehéz szemtanúi lenni az abiotikus vagy prebiotikus kémiának, mert az élet dominál; az élet mindenhol ott van” – mondta Laurie Barge, a NASA Jet Propulsion Laboratory asztrobiológusa, aki nem volt része az expedíciónak.

A korai elemzések arra is utalnak, hogy a kis szerves sav formiát jelen van a fúrólyuk vizében. A formiát az egyik legegyszerűbb vegyület, amely abiotikus úton, a szén-dioxid és a hidrogén közötti reakciókból képződhet, és ez egy kezdeti lépést jelenthet az élet első felvillanása felé a korai Földön.

„Ez a nyersanyag az építőelemek építéséhez” – mondta Lang. A formiáttal való folyamatos abiotikus reakciók nagyobb szerves vegyületeket, például aminosavakat termelhetnek, amelyek az élethez nélkülözhetetlen molekulákká, például enzimekké és más fehérjékké fűzhetők össze.

A kémiai kép nagy része azonban homályos marad az Atlantis Massif-on. A fúrólyuk mélyén lévő formiát mikrobiális segítség nélkül keletkezhetett, akárcsak a közeli sekélyebb felszín alatt, de további vizsgálatokra van szükség a biztosság érdekében. A víz metánt is tartalmaz, egy olyan vegyületet, amely egyes tudósok szerint létfontosságú volt a korai anyagcseréhez, és amely hidrogénnel való reakciókból abiotikus úton keletkezhet. De az, hogy a metán hogyan képződik Lost Cityben, egy másik rejtély – ez „bonyolult és zavaros” – mondta Brazelton.

Az abiotikus reakciók természetben történő azonosítása hasznos lehet a prebiotikus kémiát tesztelő jövőbeni laboratóriumi kísérletekhez, ahol a kutatók módosíthatják a körülményeket, hogy jobban szimulálják a korai Földet vagy más világokat, magyarázta Barge. „A Lost City egy igazán különleges hely” – mondta.

Vadászat mikrobákra

Még ha a mély fúrólyuk nem is mentes az élettől, a szinte soha nem látott mennyiségű visszanyert kőzetmag segít a tudósoknak abban, hogy összekapcsolják a vízkémiában és a kőzettípusokban bekövetkező változásokat azzal a néhány mikrobával, amelyek a föld alatt élhetnek. Annak tanulmányozása, hogyan élnek túl a mikrobák a szűkös felszín alatti erőforrások között – esetleg hidrogén és más abiotikusan képződött vegyületek elfogyasztásával –, segíthet élesíteni a korai életről alkotott képünket.

Brazelton különösen azon specifikus enzimekre vadászik, amelyeket a mikrobák használnak a hidrogén és a kis szerves vegyületek energiává alakítására. „Az egész ötlet az, hogy a kőzetekben kémia folyik, és egy ponton ez a kémia életté változik” – mondta Brazelton. Lehet, hogy ezek az enzimek csak az a gomb, amely segít a kutatóknak visszatekerni az evolúciós órát, hogy megfejtsék, hogyan alakult ki a legkorábbi anyagcsere.

Más erőfeszítések a kőzetből származó minták inkubálására és a mély mikrobák működés közbeni felfogására irányulnak Fengping Wang, a sanghaji Jiao Tong Egyetem geomikrobiológusa. Wang közel két évtizede tanulmányozza a felszín alatti életet, de ő és más mély bioszféra kutatói nagyrészt az óceáni üledékekben rejtőző mikrobák után kutattak. "Nagyon keveset tudunk a kőzetmikrobákról" - mondta. "Ez az egyik utolsó kérdés a mély bioszférában: mi van a kemény sziklákban?"

A válaszokat keresve Wang több száz magmintát porított a hajó fedélzetén, és mindegyiket egy fém reaktorcsőbe vagy üvegpalackba helyezte. Különféle ételekkel gazdagította a mintákat – egy mikrobiális kóstoló menüt, amely az étrendek ismeretlen sokféleségéhez illett. Aztán különböző hőmérsékleteken inkubálta a mintákat, hogy lássa, mi nő.

Összességében közel 800 inkubációt állított fel, és pózolt velük egy képet a fedélzeti laborban, „hogy bemutassam a kemény munkámat” – mondta kuncogva. A képen az előtte lévő asztal minden centimétere tele van üvegpalackokkal, amelyek csak töredékei az összes mintájának.

Wang előzetes eredményei szerint egyes mintákban többlet metán van, de az még nem világos, hogy a gáz böfögő mikrobákból vagy reakcióba lépő kőzetekből származik-e.

A tudósok számos területen izgatottan várják a csapat eredményeit. "Határozottan sokkal jobb rálátásunk lesz arra, hogy milyen kémiai folyamatok mennek végbe" - mondta Yoshinori Miyazaki, a California Institute of Technology geofizikusa.

A legújabb művet övező izgalom és diadal azonban szomorúsággal is tarkított. Ez az expedíció az egyik utolsó a JOIDES felbontás, amely 2024 végén nyugdíjba vonul négy évtizednyi úttörő kutatás után az óceánok vizein világszerte. Jelenleg nincs konkrét terv a hajó cseréjére, ami tátongó űrt hagy az óceánkutatásban az amerikai tudósok számára.

Hosszas fennállása alatt expedíciók a fedélzeten JOIDES felbontás több mint 350 kilométernyi magot hoztak vissza a tengerfenékből. Ebben a geológiai bányában bolygónk múltjának számos titka rejtőzik – az éghajlat változásai, az óceánok kémiája és talán más, az élet eredetére utaló nyom. De még több információ még mindig a tengerfenék szikláiba zárva, csak arra vár, hogy feltárják.