Jauh di Bawah Permukaan Bumi, Petunjuk Asal Usul Kehidupan | Majalah Kuanta

Menjelang tengah malam pada tanggal 26 Maret 1961, perairan gelap menyelimuti lambung kapal tongkang angkatan laut yang telah diubah dan terguncang dengan mual di Samudera Pasifik. Kapal baru saja tiba di tempat ini, sekitar 240 kilometer dari semenanjung Baja, setelah tiga hari menghadapi lautan yang begitu ganas sehingga para awak kapal mengikat peralatan mereka ke geladak dengan rantai yang berat, “seperti gajah nakal,” novelis John Steinbeck, yang berada di atas kapal, kemudian menulis untuk Hidup majalah.

Kembali ke pantai, rumor beredar tentang tujuan kru. Beberapa berspekulasi bahwa mereka sedang berburu berlian atau harta karun. Yang lain curiga mereka sedang mencari tempat untuk menyimpan rudal di dasar laut. Namun tujuan tim ini bahkan lebih tinggi dari rumor terliar sekalipun. Rencananya – yang dibuat saat sarapan pagi yang mengandung alkohol di rumah ahli geologi Walter Munk di La Jolla – adalah untuk mengebor lubang yang sangat dalam sehingga dapat menembus kerak bumi dan mencapai mantel planet, lapisan berbatu panas yang terjepit di antara kerak bumi dan kerak bumi. intinya.

Kini, lebih dari 62 tahun setelah upaya yang dikenal sebagai Proyek Mohole, para ilmuwan masih belum berhasil mengebor bagian kerak bumi yang utuh. Namun pada musim semi yang lalu, sebuah tim menaiki kapal bor berusia puluhan tahun tersebut Resolusi JOIDE mencapai hal terbaik berikutnya: Mereka mengambil kumpulan batuan mantel dari area dasar laut Atlantik yang keraknya sangat tipis. Situs ini berada di puncak gunung bawah laut yang dikenal sebagai Atlantis Massif, tempat pergeseran lempeng tektonik yang lambat telah mendorong blok batuan mantel lebih dekat ke permukaan.

Meskipun mantel merupakan penyusun terbesar planet kita, batuannya biasanya terkubur beberapa kilometer di bawah permukaan, sehingga sampel segar sulit diambil. Namun batuan mantel seperti yang digali pada musim semi lalu dapat memberikan petunjuk tentang cara kerja Bumi dan membantu para peneliti lebih memahami koreografi tektonik yang penting bagi dunia kita.

Batuan yang baru dikumpulkan mungkin juga menyimpan petunjuk tentang ciri lain yang menentukan di planet kita, yaitu kehidupan.

Ketika air laut bertemu dengan batuan mantel, serangkaian reaksi kimia menghasilkan campuran yang dapat menghasilkan senyawa organik yang dibutuhkan untuk memicu percikan kehidupan pertama. Para ilmuwan telah menemukan petunjuk tentang molekul organik kecil yang tercipta tanpa bantuan mikroba di sistem ventilasi hidrotermal Kota Hilang, sebuah kota metropolitan geologis yang luas di atas Atlantis Massif. Beberapa ilmuwan telah lama berspekulasi bahwa lingkungan seperti itu dapat menginkubasi bentuk kehidupan paling awal di planet kita. Kini, lubang yang baru dibor oleh tim, yang terletak lebih dari satu kilometer di bawah dasar laut, telah mencapai apa yang tampaknya menjadi jantung dari sistem hidrotermal ini.

“Itu membuka banyak kemungkinan bagi kami,” kata Susan Lang, seorang ahli biogeokimia di Woods Hole Oceanographic Institution yang ikut memimpin ekspedisi tersebut.

Sudah ada petunjuk bahwa konsentrasi gas hidrogen yang tinggi di perairan lubang bor mungkin tersedia untuk menggerakkan sintesis organik. Laboratorium alami ini berjanji untuk membantu tim mengungkap asal mula sup pemberi kehidupan yang mengalir melalui menara Kota Hilang, memungkinkan mereka mempelajari kimia organik di dunia tanpa organisme — kimia kehidupan sebelum kehidupan ada, atau ketika kehidupan ada. sangat langka. Beberapa mikroba yang bertahan hidup dalam kondisi bawah permukaan yang ekstrem mungkin juga memberikan petunjuk tentang bagaimana makhluk paling awal mencari nafkah, yang pada akhirnya membantu para ilmuwan menguraikan langkah-langkah penting yang mengubah senyawa kimia menjadi makhluk hidup.

Membangun Kota yang Hilang

Lang masih ingat suatu hari, sekitar dua dekade yang lalu, ketika dia ditawari tempat berlabuh di kapal yang melakukan studi rinci pertama mengenai ventilasi Kota Hilang. Air mata kegembiraan membanjiri matanya. “Saya menjawab ya tanpa menanyakan kepada siapa pun,” kata Lang, yang saat itu merupakan mahasiswa pascasarjana di Universitas Washington.

Semangatnya mencerminkan sifat revolusioner dari Kota Hilang, yang kolom air panasnya yang berkilauan dan tembus pandang pertama kali ditemukan oleh para ilmuwan di atas kapal penelitian. Atlantis pada tahun 2000. Pada saat itu, semua sistem ventilasi hidrotermal yang diketahui masih gelap, dengan cerobong asap yang menghitam karena sulfida vulkanik yang memompa gumpalan cairan panas yang tebal dan berasap ke laut. Tapi menara Kota Hilang berwarna putih pucat.

Para ilmuwan segera mengetahui bahwa warna terang tersebut berasal dari reaksi antara air laut dan batu yang terletak di dalam Atlantis Massif. Sedikit lebih tinggi dari Gunung Rainier, gunung bawah laut ini sebagian besar terbuat dari peridotit, sejenis batuan yang mendominasi mantel atas. Gunung ini terbentuk dari pergeseran tenang punggungan Atlantik tengah di dekatnya, tempat lempeng tektonik Amerika Utara dan Afrika perlahan-lahan terpisah. Gerakan ini mengupas kerak bagian atas dari puncak yang meninggi, memperlihatkan petak inti peridotitnya.

Peridotit biasanya bertahan di bawah kerak berkilo-kilometer. Letaknya yang dekat dengan permukaan bumi tidak stabil, sehingga air laut dapat menyusup ke dalam celah-celah bebatuan. Ketika hal ini terjadi, mineral bernama olivin yang mendominasi peridotit akan segera bereaksi dengan molekul air, memicu serangkaian langkah kimia yang disebut serpentinisasi. Proses ini membuat air menjadi sangat basa, sehingga ketika cairan dari celah tersebut bercampur dengan air laut segar, mineral pucat akan mengendap dan membangun menara Kota Hilang yang menakjubkan, yang berdiri setinggi a bangunan 20 lantai.

Namun produk sampingan lain dari serpentinisasi, yaitu hidrogen, telah menarik Lang dan ilmuwan lain untuk mengunjungi lokasi tersebut selama beberapa dekade. Dalam kondisi yang tepat, gas hidrogen dapat memicu reaksi kimia sederhana, seperti mengubah karbon dioksida dan air menjadi senyawa organik kecil, tanpa bantuan mikroba (atau secara abiotik). Reaksi yang berkelanjutan dapat menciptakan molekul organik yang lebih besar dan lebih kompleks, mungkin kerajinan tangan campuran bahan yang tepat — gula, lemak, asam amino — untuk memasak bentuk kehidupan paling awal. Selain itu, hidrogen dan bahan organik kecil mungkin juga menyediakan makanan bagi penghuni awal bumi. “Hidrogen seperti kunci segalanya,” kata Lang.

Gas ini kemungkinan besar lebih banyak terdapat pada masa awal Bumi, ketika susunan mineral di permukaan berbeda dengan saat ini, sehingga reaksi serpentinisasi menjadi lebih umum terjadi.

Di Atlantis Massif, Lang dan rekan-rekannya ingin mengetahui senyawa organik mana yang dapat terbentuk tanpa bantuan mikroba dan mikroba mana yang dapat bertahan hidup di prasmanan bawah tanah yang tidak biasa ini. Hasilnya dapat memberikan petunjuk tentang bagaimana bentuk kehidupan paling awal mencari nafkah, serta sifat kimia yang mendahului mikroba purba tersebut.

Namun saat ini terdapat banyak sekali kehidupan di permukaan bumi, baik di atas maupun di bawah air, sehingga sulit untuk mengidentifikasi senyawa yang terbentuk tanpa bantuan biologi. Hal ini terutama berlaku di Lost City. “Anda bisa melihat biofilm beringus tumbuh di seluruh cerobong asap itu,” katanya William Brazelton, seorang ahli mikrobiologi di Universitas Utah dan a JOIDE anggota tim.

Oleh karena itu, para peneliti mengarahkan perhatian mereka pada alam di bawah dasar laut, yang mikrobanya sangat sedikit dan oksigennya langka, sehingga menciptakan kondisi yang mirip dengan kondisi bumi pada masa awal. Seperti yang dikatakan Brazelton, “Kita harus benar-benar melangkah lebih dalam.”

Menemukan Laboratorium Alami

Pada tahun 1960-an, Project Mohole menandai dimulainya upaya untuk menyelami kedalaman planet kita yang belum dijelajahi pada masa “ilmu pengetahuan yang heroik,” kata Damon Teagle, seorang ahli geokimia di Universitas Southampton dan veteran dari banyak ekspedisi ilmiah pengeboran laut.

Nama tersebut merupakan plesetan dari diskontinuitas Mohorovičić, atau Moho, yang mendefinisikan batas antara kerak dan mantel. Di bawah benua, Moho dapat ditemukan pada kedalaman lebih dari 30 kilometer; di bawah dasar laut, jaraknya mendekati 7 kilometer. Oleh karena itu, tim yang menargetkan mantel biasanya memilih melakukan pengeboran dari kapal.

Project Mohole bahkan tidak mendekati tujuannya saja membosankan Sedimen setinggi 179 meter dan batuan dasar laut hanya setinggi 4 meter. Namun upaya tersebut pun mengungkap banyak informasi tentang planet kita, termasuk fakta bahwa di bawah sedimen dasar laut terdapat batuan vulkanik yang relatif muda – sebuah temuan yang kemudian menjadi bukti penting dalam kasus lempeng tektonik. Hal ini juga menghasilkan teknologi yang berkembang menjadi sistem yang masih digunakan oleh para ilmuwan, termasuk beberapa teknologi yang ada di dalamnya Resolusi JOIDE musim semi yang lalu.

Bahkan saat ini, pengeboran laut dalam masih sangat menantang. Salah satu penyebabnya adalah pengeboran melalui batuan keras yang dengan cepat membuat mata bor menjadi aus, sehingga memaksa penggantian mata bor secara teratur dan kebutuhan untuk masuk kembali ke lubang bor kecil yang sama dari sumber lain. sebuah kapal terombang-ambing di atas ratusan atau ribuan meter air, seperti menjatuhkan jarum ke dalam lubang jarum. Lebih buruk lagi, ekspedisi musim semi lalu diawali dengan buruk. Saat tim sedang mengebor lubang pilot pertama mereka, mata bor mereka macet, dan untuk mencegah kapal berlabuh selamanya di Atlantis Massif, kru memutuskan sambungan dengan ledakan dinamit. Kemudian bagian dari sistem yang memungkinkan bor masuk kembali ke lubang bor beberapa kali pecah menjadi beberapa bagian.

Dengan sedikit kreativitas, mereka akhirnya melakukan pengeboran di lokasi yang sekarang dikenal sebagai U1601C, yang berada di bawah air hampir 850 meter. Dan saat itulah keberuntungan mereka berubah.

Pada sebagian besar ekspedisi pengeboran dasar laut, kemajuannya lambat, dengan inti batuan yang diangkut ke dek setiap tiga jam atau lebih. Tapi suatu saat JOIDE tim mulai bergerak, mereka mengirimkan inti baru ke kapal hampir setiap jam. Para ilmuwan yang memproses inti-inti tersebut hampir tidak dapat mengimbanginya, dan sebelum mereka menyadarinya, mata bor tersebut telah menghantam batuan mantel.

Sebelum ekspedisi ini, pengeboran terjauh yang pernah dilakukan seseorang pada batuan mantel yang telah diubah adalah 200 meter. Tapi JOIDE tim menempuh jarak itu hanya dalam beberapa hari, akhirnya melewatinya dengan membosankan 1,267.8 meter sebagian besar peridotit. “Ini sungguh luar biasa,” kata Teagle, yang bukan bagian dari upaya tersebut baru-baru ini.

Bagi Lang, salah satu kejutan terbesar tersembunyi jauh di dalam lubang bor. Setelah mengeluarkan inti terakhirnya, para kru menyiram lubang kosong tersebut dengan air bersih dan membiarkan cairan dan gas alami meresap kembali dalam waktu lebih dari 72 jam. Kemudian mereka mengumpulkan air lubang bor di berbagai kedalaman dan membaginya untuk lebih dari selusin uji kimia, termasuk analisis gas hidrogen.

Lang berharap bisa menemukan sejumlah kecil hidrogen sejauh ini di bawah tanah. Namun sampel air terdalam mengandung begitu banyak gas sehingga ketika muncul ke permukaan, gelembung-gelembung terbentuk di dalam tabung, sebuah fenomena yang mirip dengan apa yang terjadi ketika Anda membuka sekaleng soda segar.

“Kami seperti, sial,” kata Lang, mengingat reaksinya sendiri dan reaksi Brazelton. “Ada banyak sumpah serapah yang terlibat.”

Perairan penuh dengan hidrogen, bahan bakar yang dibutuhkan untuk menggerakkan reaksi abiotik.

Blok Bangunan dari Blok Bangunan

Lebih dari enam bulan setelah ekspedisi, tim masih memproses sejumlah besar sampel – mempelajari kimia air, mengidentifikasi mikroba, mengkarakterisasi batuan, dan banyak lagi. “Orang-orang akan melakukan analisis unsur secara menyeluruh pada batuan ini,” katanya Andrew McCaig, seorang ahli geologi di Universitas Leeds yang ikut memimpin ekspedisi tersebut.

Model awal menunjukkan bahwa suhu di dekat dasar lubang bor bahkan mungkin mencapai 122 derajat Celcius, yang merupakan batas kehidupan yang diketahui saat ini (meskipun beberapa penelitian menyarankan bahwa batasnya mungkin lebih tinggi lagi). Lang memperingatkan bahwa model tersebut memerlukan konfirmasi karena didasarkan pada pengukuran yang dilakukan ketika suhu lubang bor sedikit ditekan oleh sirkulasi air dingin selama pengeboran. Namun, jika kondisinya dipastikan ekstrem seperti ini, kedalamannya akan memungkinkan para ilmuwan mempelajari reaksi kimia yang memicu kehidupan tanpa pengaruh mikroba yang mengganggu.

Ini akan menjadi langkah maju yang signifikan bagi para ilmuwan yang mempelajari asal usul kehidupan di air. “Di Bumi saat ini, sangat sulit untuk menyaksikan kimia abiotik atau prebiotik karena kehidupan mendominasi; hidup ada dimana-mana,” kata Laurie Tongkang, seorang ahli astrobiologi di Jet Propulsion Laboratory NASA yang bukan bagian dari ekspedisi tersebut.

Analisis awal juga menunjukkan bahwa format asam organik kecil terdapat dalam air lubang bor. Format adalah salah satu senyawa paling sederhana yang dapat terbentuk secara abiotik, dari reaksi antara karbon dioksida dan hidrogen, dan mungkin menandai langkah awal menuju secercah kehidupan di awal Bumi.

“Ini adalah bahan mentah untuk membangun blok bangunan,” kata Lang. Reaksi abiotik yang berkelanjutan dengan format dapat menghasilkan senyawa organik yang lebih besar seperti asam amino, yang dapat dirangkai menjadi molekul penting bagi kehidupan, seperti enzim dan protein lainnya.

Namun sebagian besar gambaran kimiawi di Atlantis Massif masih kabur. Format yang berada jauh di dalam lubang bor mungkin terbentuk tanpa bantuan mikroba, seperti yang terjadi di bawah permukaan yang lebih dangkal di dekatnya, namun pengujian lebih lanjut diperlukan untuk memastikannya. Air juga mengandung metana, senyawa yang menurut beberapa ilmuwan penting untuk metabolisme awal dan dapat dihasilkan secara abiotik dari reaksi dengan hidrogen. Namun bagaimana metana terbentuk di Kota Hilang adalah misteri lain – hal ini “rumit dan membingungkan,” kata Brazelton.

Mengidentifikasi reaksi abiotik di alam dapat menjadi masukan bagi percobaan laboratorium di masa depan yang menguji kimia prebiotik, di mana para peneliti dapat mengubah kondisi untuk lebih mensimulasikan Bumi awal atau dunia lain, jelas Barge. “Kota yang Hilang adalah tempat yang sangat istimewa,” katanya.

Berburu Mikroba

Sekalipun lubang bor yang dalam bukannya tanpa kehidupan, jumlah inti batuan yang ditemukan dalam jumlah yang belum pernah terjadi sebelumnya akan membantu para ilmuwan menghubungkan perubahan kimiawi air dan jenis batuan dengan beberapa mikroba yang mungkin dapat bertahan hidup di bawah tanah. Mempelajari bagaimana mikroba bertahan hidup di tengah langkanya sumber daya bawah permukaan – mungkin dengan memakan hidrogen dan senyawa abiotik lainnya – dapat membantu mempertajam gambaran kita tentang kehidupan awal.

Brazelton khususnya sedang mencari enzim spesifik yang digunakan mikroba untuk mengubah hidrogen dan senyawa organik kecil menjadi energi. “Ide keseluruhannya di sini adalah bahwa ada kimia yang terjadi di bebatuan, dan pada titik tertentu, kimia itu berubah menjadi kehidupan,” kata Brazelton. Enzim-enzim tersebut mungkin merupakan tombol yang membantu para peneliti memundurkan jam evolusi untuk menguraikan bagaimana metabolisme paling awal terbentuk.

Upaya lain difokuskan pada menginkubasi sampel dari batuan dan mencoba menangkap mikroba dalam, jelasnya Feng Ping Wang, ahli geomikrobiologi yang memimpin pekerjaan ini di Universitas Shanghai Jiao Tong. Wang telah mempelajari kehidupan di bawah permukaan selama hampir dua dekade, namun dia dan peneliti biosfer dalam lainnya sebagian besar mencari mikroba yang bersembunyi di sedimen laut. “Kami hanya tahu sedikit tentang mikroba batuan,” katanya. “Ini adalah salah satu pertanyaan terakhir di biosfer dalam: Apa yang ada di batuan keras?”

Untuk mencari jawabannya, Wang menghancurkan ratusan sampel inti di atas kapal, menempatkan masing-masing sampel ke dalam tabung reaktor logam atau botol kaca. Dia menambahkan sampelnya dengan beragam makanan – menu pencicipan mikroba yang cocok untuk keragaman pola makan yang tidak diketahui. Dan kemudian dia menginkubasi sampel tersebut pada suhu berbeda untuk melihat apa yang akan tumbuh.

Secara keseluruhan, dia menyiapkan hampir 800 inkubasi dan berfoto bersama mereka di laboratorium kapal “untuk menunjukkan kerja keras saya,” katanya sambil tertawa. Dalam gambar, setiap inci meja di depannya dipenuhi botol kaca, yang hanya merupakan sebagian kecil dari total sampelnya.

Hasil awal Wang mengungkapkan kelebihan metana di beberapa sampel, namun masih belum jelas apakah gas tersebut berasal dari mikroba yang bersendawa atau batuan yang bereaksi.

Para ilmuwan di berbagai bidang sangat menantikan temuan tim ini. “Kami pasti akan memiliki pandangan yang lebih baik tentang… proses kimia sebenarnya yang sedang terjadi,” katanya Yoshinori Miyazaki, ahli geofisika di California Institute of Technology.

Namun, kegembiraan dan kemenangan seputar karya terbaru ini juga diwarnai dengan kesedihan. Ekspedisi ini merupakan salah satu ekspedisi terakhir Resolusi JOIDE, yang akan pensiun pada akhir tahun 2024 setelah empat dekade melakukan penelitian inovatif di perairan laut di seluruh dunia. Saat ini tidak ada rencana konkrit untuk mengganti kapal tersebut, yang menyisakan lubang besar dalam penelitian kelautan bagi para ilmuwan AS.

Selama masa jabatannya yang panjang, ekspedisi dilakukan di atas kapal Resolusi JOIDE telah memulihkan lebih dari 350 kilometer inti dari dasar laut. Tersembunyi di dalam harta karun geologis ini terdapat banyak rahasia masa lalu planet kita — perubahan iklim, kandungan kimia lautan, dan mungkin petunjuk lain mengenai asal usul kehidupan. Namun informasi lebih lanjut masih tersimpan di bebatuan dasar laut, menunggu untuk diungkap.