Djupt under jordens yta, ledtrådar till livets ursprung | Quanta Magazine

Nära midnatt den 26 mars 1961 svepte mörkt vatten mot skrovet på en ombyggd marin pråm när den vaggade i Stilla havet. Fartyget hade precis anlänt till den här platsen, cirka 240 kilometer utanför Baja-halvön, efter tre dagars kamp mot havet så grovt att besättningen hade surrat redskap på däcket med tunga kedjor, "som en oseriös elefant", författaren John Steinbeck, som var ombord på fartyget, skrev senare för livet magasinet.

Tillbaka på stranden flög rykten om besättningens mål. Vissa spekulerade i att de var på jakt efter diamanter eller sjunkna skatter. Andra misstänkte att de letade efter en plats att förvara en missil på havsbotten. Men lagets mål var ännu högre än de vildaste hörsägen. Planen – kläckt över en alkoholinfunderad frukost i geologen Walter Munks hem i La Jolla – var att borra ett hål så djupt att det skulle slå igenom jordskorpan och nå planetens mantel, ett varmt, stenigt lager inklämt mellan jordskorpan och dess kärna.

Nu, mer än 62 år efter ansträngningen känd som Project Mohole, har forskare fortfarande inte lyckats borra genom en intakt del av jordskorpan. Men den gångna våren, ett team ombord på det decennier gamla borrskeppet JOIDES Upplösning åstadkom det näst bästa: De hämtade en mängd mantelstenar från ett område på Atlantens havsbotten där skorpan är särskilt tunn. Platsen ligger på toppen av ett undervattensberg känt som Atlantis Massif, där de långsamma skiftningarna av tektoniska plattor har knuffat block av mantelstenar närmare ytan.

Medan manteln utgör huvuddelen av vår planet, är dess stenar vanligtvis begravda kilometer under ytan, vilket gör färska prover svåra att hämta. Men mantelstenar som de som grävdes ut i våras kan ge ledtrådar till jordens djupa funktion och hjälpa forskare att bättre förstå den tektoniska koreografin som är grundläggande för vår värld.

De nyligen insamlade stenarna kan också ha ledtrådar till en annan avgörande egenskap hos vår planet - livet.

När havsvatten möter mantelberget genererar en serie kemiska reaktioner en cocktail som kan skapa de organiska föreningar som behövs för att tända livets första gnistor. Forskare har redan hittat antydningar om små organiska molekyler skapade utan mikrobiell hjälp vid Lost City hydrotermiska ventilationssystem, en vidsträckt geologisk metropol på toppen av Atlantis Massif. Vissa forskare har länge spekulerat i att sådana miljöer kunde ha inkuberat vår planets tidigaste livsformer. Nu har lagets nyligen borrade hål, som borrade sig mer än en kilometer under havsbotten, nått in i vad som verkar vara det bankande hjärtat i detta hydrotermiska system.

"Det öppnar en värld av möjligheter för oss," sa Susan Lang, en biogeokemist vid Woods Hole Oceanographic Institution som ledde expeditionen.

Det finns redan antydningar om att höga koncentrationer av vätgas i borrhålsvattnet kan vara tillgängliga för att driva organisk syntes. Detta naturliga laboratorium lovar att hjälpa teamet att reda ut ursprunget till den livgivande grytan som sipprar upp genom Lost Citys torn, så att de kan studera den organiska kemin i en värld utan organismer - livets kemi innan livet existerade, eller när livet var ytterst sällsynt. De få mikrober som överlever de extrema förhållanden under ytan kan också ge ledtrådar till hur de tidigaste varelserna försörjde sig, vilket i slutändan hjälper forskare att dechiffrera de avgörande stegen som gjorde kemiska föreningar till varelser.

Bygga en förlorad stad

Lang minns fortfarande dagen, för ungefär två decennier sedan, då hon erbjöds en kajplats på fartyget som genomförde den första detaljerade studien av Lost City-ventilerna. Tårar av upphetsning svämmade över hennes ögon. "Jag sa ja utan att kolla med någon", sa Lang, som var doktorand vid University of Washington vid den tiden.

Hennes glöd återspeglade den revolutionära naturen i Lost City, vars skimrande, genomskinliga kolumner av varmt vatten först sågs av forskare ombord på forskningsfartyget Atlantis år 2000. Vid den tiden var alla andra kända hydrotermiska ventilationssystem mörka, med skorstenar svarta av vulkaniska sulfider som pumpade tjocka, rökiga plymer av brännande vätskor i havet. Men spirorna i Lost City var spöklika vita.

Som forskare snart lärde sig härrör den ljusa nyansen från reaktioner mellan havsvatten och berget som är undangömt i Atlantis Massif. Detta undervattensberg är lite högre än Mount Rainier och är till stor del gjort av peridotit, en typ av sten som dominerar den övre manteln. Berget bildades från de stillsamma skiftningarna av den närliggande mittatlantiska åsen, där de nordamerikanska och afrikanska tektoniska plattorna långsamt dras isär. Denna rörelse skalade den övre skorpan från den stigande toppen och exponerar stränder av dess peridotkärna.

Peridotite dröjer normalt under miles av skorpa. Det är instabilt så nära jordens yta, där havsvatten kan krypa in i sprickor i klipporna. När det händer, reagerar ett mineral som heter olivin som dominerar peridotiten lätt med vattenmolekyler, vilket utlöser en serie kemiska steg som kallas serpentinisering. Processen gör vattnet mycket alkaliskt, så när vätskor från springan blandar sig med färskt havsvatten fälls bleka mineraler ut och bygger Lost Citys fantastiska spiror, som står höga som en 20-våningshus.

Men en annan biprodukt av serpentinisering, väte, har dragit Lang och andra vetenskapsmän till platsen i årtionden. Under rätt förhållanden kan vätgas underblåsa enkla kemiska reaktioner, som att omvandla koldioxid och vatten till små organiska föreningar, utan mikrobiell hjälp (eller abiotisk). Fortsatta reaktioner kan skapa större och mer komplexa organiska molekyler, kanske hantverk precis rätt blandning av ingredienser — sockerarter, fetter, aminosyror — för att koka upp de tidigaste livsformerna. Dessutom kan väte och små organiska ämnen också ha gett mat till jordens tidigaste invånare. "Väte är som nyckeln till allt", sa Lang.

Denna gas var sannolikt vanligare på den tidiga jorden, när mineralsammansättningen på ytan skilde sig från dagens, vilket gjorde serpentiniseringsreaktioner vanligare.

På Atlantis Massif vill Lang och hennes kollegor veta vilka organiska föreningar som kan bildas utan mikrobiell hjälp och vilka mikrober som kan överleva på denna ovanliga underjordiska buffé. Resultaten kan ge ledtrådar om hur de tidigaste livsformerna försörjde sig, såväl som kemin som föregick dessa uråldriga mikrober.

Men idag finns det ett överflöd av liv på jordens yta, både över och under vatten, vilket gör det svårt att identifiera föreningar som tillverkats utan biologins hjälp. Det är särskilt sant i Lost City. "Du kan bara se de snoriga biofilmerna växa över hela skorstenarna," sa William Brazelton, en mikrobiolog vid University of Utah och en JOIDES lagmedlem.

Så forskare siktar in sig på riken under havsbotten, där mikrober är glesa och syre är knappa, vilket skapar förhållanden som liknar dem på den tidiga jorden. Som Brazelton sa, "Vi måste bokstavligen gå djupare."

Att hitta ett naturligt laboratorium

På 1960-talet markerade Project Mohole starten på ansträngningarna att plombera de outforskade djupen av vår planet under en tid av "heroisk vetenskap", sa Damon Teagle, en geokemist vid University of Southampton och en veteran från många vetenskapliga havsborrexpeditioner.

Namnet var en lek på Mohorovičić-diskontinuiteten, eller Moho, som definierar gränsen mellan skorpan och manteln. Under kontinenter kan Moho hittas mer än 30 kilometer djupt; under havsbotten är det närmare 7 kilometer. På grund av detta väljer lag som riktar sig mot manteln vanligtvis att borra från fartyg.

Project Mohole kom inte ens i närheten av sitt mål, bara tråkigt igenom 179 meter sediment och bara 4 meter havsbottensten. Ändå avslöjade även den ansträngningen en mängd information om vår planet, inklusive det faktum att det gömde sig under havsbottensediment var relativt unga vulkaniska stenar - ett fynd som senare skulle fungera som ett viktigt bevis i fallet med plattektonik. Den producerade också teknologier som utvecklats till systemforskare som fortfarande använder, inklusive några ombord JOIDES Upplösning den här våren.

Än idag är dock djuphavsborrning oerhört utmanande. För det första sliter borrkronor snabbt ut genom att borra genom hårt berg, vilket tvingar fram regelbundna borrbyten och behovet av att gå in i samma lilla borrhål igen från ett skepp guppar ovanpå hundratals eller tusentals meter vatten, vilket är som att tappa en nål i ett nålhål. För att göra saken värre fick förra vårens expedition en olycklig start. Medan teamet borrade sitt första pilothål, fastnade deras borrkrona, och för att förhindra att fartyget för alltid förankras vid Atlantis Massif, bröt besättningen förbindelsen med en explosion av dynamit. Sedan gick en del av systemet som gjorde att borren kunde gå in i ett borrhål flera gånger i bitar.

Med lite kreativitet fick de äntligen borra på en plats som nu kallas U1601C, som ligger under nästan 850 meter vatten. Och det var då deras tur förändrades.

På de flesta havsbottenborrexpeditioner går framstegen långsamt, med steniga kärnor som dras på däck var tredje timme eller så. Men en gång JOIDES teamet kom igång, de lyfte färska kärnor ombord nästan varje timme. Forskare som bearbetade kärnorna kunde knappt hänga med, och innan de visste ordet av hade borrkronan träffat mantelstenar.

Innan denna expedition var det längsta som någon någonsin hade borrat i förändrade mantelbergarter 200 meter. Men JOIDES laget tillryggalade den sträckan på bara några dagar, till slut tråkigt 1,267.8 meter av mestadels peridotit. "Det var bara anmärkningsvärt," sa Teagle, som inte var en del av det senaste företaget.

För Lang gömdes en av de största överraskningarna djupt i borrhålet. Efter att ha tagit bort sin sista kärna spolade besättningen det tomma hålet med rent vatten och lät naturliga vätskor och gaser krypa tillbaka på över 72 timmar. Sedan samlade de upp borrhålsvattnet på olika djup och delade upp det för mer än ett dussin kemiska tester, inklusive en vätgasanalys.

Som mest förväntade Lang sig att hitta spårmängder av väte hittills under jorden. Men det djupaste vattenprovet innehöll så mycket gas att det bildades bubblor i röret när det dök upp, ett fenomen som liknar det som händer när man öppnar en ny burk läsk.

"Vi var som, heliga skit", sa Lang och påminde sig sin egen reaktion och Brazeltons. "Det var mycket svordomar inblandade."

Vattnet är proppfullt av väte, det bränsle som behövs för att driva abiotiska reaktioner.

Byggstenarnas byggstenar

Mer än sex månader efter expeditionen bearbetar teamet fortfarande sitt enorma antal prover - studerar vattenkemin, identifierar mikrober, karakteriserar stenarna och mer. "Folk kommer att göra en hel alfabetssoppa av elementära analyser på dessa stenar," sa Andrew McCaig, en geolog vid University of Leeds som ledde expeditionen.

Preliminära modeller antyder att temperaturer nära botten av borrhålet till och med kan nå 122 grader Celsius, den för närvarande kända gränsen för liv (även om några studier tyder på att gränsen kan sitta ännu högre). Lang varnar för att modellerna kräver bekräftelse eftersom de är baserade på mätningar gjorda när borrhålstemperaturerna var något undertryckta av det kalla vattnet som cirkulerade under borrning. Om det bekräftas att förhållandena är så här extrema, skulle djupet göra det möjligt för forskare att studera livsdrivande kemiska reaktioner utan den förvirrande inverkan av mikrober.

Detta skulle vara ett viktigt steg framåt för forskare som studerar livets vattniga ursprung. "På jorden idag är det verkligen svårt att bevittna abiotisk eller prebiotisk kemi eftersom livet dominerar; livet finns överallt”, sa Laurie pråm, en astrobiolog vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory som inte var en del av expeditionen.

Tidiga analyser tyder också på att det lilla organiska syraformiatet finns i borrhålsvattnet. Formiat är en av de enklaste föreningarna som kan bildas abiotiskt, från reaktioner mellan koldioxid och väte, och det kan markera ett första steg mot de första glimtarna av liv på den tidiga jorden.

"Det är råmaterialet för att bygga byggstenarna," sa Lang. Fortsatta abiotiska reaktioner med formiat kan producera större organiska föreningar som aminosyror, som kan träs ihop till molekyler som är nödvändiga för livet, såsom enzymer och andra proteiner.

Men mycket av den kemiska bilden är fortfarande otydlig vid Atlantis Massif. Formiatet djupt inne i borrhålet kan ha bildats utan mikrobiell hjälp, som det har gjort i den grundare underytan i närheten, men mer tester behövs för att vara säker. Vattnet innehåller också metan, en förening som vissa forskare tror var avgörande för tidiga metabolismer och en som kan genereras abiotiskt från reaktioner med väte. Men hur metan bildas i Lost City är ett annat mysterium - det är "komplicerat och förvirrande", sa Brazelton.

Att identifiera abiotiska reaktioner i naturen skulle kunna informera framtida laboratorieexperiment som testar prebiotisk kemi, där forskare kan justera förutsättningarna för att närmare simulera tidig jord eller andra världar, förklarade Barge. "Lost City är en riktigt speciell plats", sa hon.

Jakt på mikrober

Även om det djupa borrhålet inte saknar liv, kommer den nästan aldrig tidigare skådade mängden återvunna steniga kärnor att hjälpa forskare att koppla förändringar i vattenkemi och bergarter till de få mikrober som kan ta ut en levande underjordisk. Att studera hur mikrober överlever bland knappa resurser under ytan - kanske genom att äta väte och andra abiotiskt bildade föreningar - kan hjälpa till att skärpa vår bild av det tidiga livet.

Brazelton i synnerhet är på jakt efter de specifika enzymer som mikrober använder för att omvandla väte och små organiska föreningar till energi. "Hela idén här är att du har kemi på gång i stenar, och någon gång förvandlas den kemin till liv," sa Brazelton. Dessa enzymer kan bara vara ratten som hjälper forskare att spola tillbaka den evolutionära klockan för att dechiffrera hur de tidigaste metabolismerna kom till.

Andra ansträngningar är fokuserade på att inkubera prover från berget och försöka fånga djupa mikrober i aktion, förklarade Fengping Wang, geomikrobiologen som leder detta arbete vid Shanghai Jiao Tong University. Wang har studerat livet i underytan i nästan två decennier, men hon och andra djupbiosfärsforskare har till stor del sökt efter mikrober som gömmer sig i havssediment. "Vi vet väldigt lite om stenmikroberna," sa hon. "Det är en av de sista frågorna i den djupa biosfären: Vad finns i de hårda klipporna?"

På jakt efter svar pulveriserade Wang hundratals kärnprover ombord på fartyget och placerade var och en i ett metallreaktorrör eller en glasflaska. Hon spetsade proverna med en mängd olika livsmedel - en mikrobiell avsmakningsmeny lämpad för en okänd mångfald av dieter. Och sedan inkuberade hon proverna vid olika temperaturer för att se vad som skulle växa.

Sammantaget satte hon upp nästan 800 inkubationer och poserade för en bild med dem i labbet ombord "för att visa mitt hårda arbete", sa hon med ett skratt. På bilden är varje tum av bordet framför henne packad med glasflaskor, som bara är en bråkdel av hennes totala prover.

Wangs preliminära resultat avslöjar ett överskott av metan i vissa prover, men om gasen kommer från rapande mikrober eller reagerande stenar är ännu inte klart.

Forskare från många områden väntar ivrigt på lagets resultat. "Vi kommer definitivt att ha en mycket bättre bild av ... vilka faktiska kemiska processer som äger rum," sa Yoshinori Miyazaki, en geofysiker vid California Institute of Technology.

Spänningen och triumfen kring det senaste verket är dock också färgad av sorg. Denna expedition är en av de sista för JOIDES Upplösning, som kommer att gå i pension i slutet av 2024 efter fyra decennier av banbrytande forskning i havsvatten runt om i världen. Det finns för närvarande ingen konkret plan för att ersätta fartyget, vilket lämnar ett gapande hål i havsforskningen för amerikanska forskare.

Under sin långa tid, expeditioner ombord på JOIDES Upplösning har återvunnit mer än 350 kilometer kärnor från havsbotten. Gömda i denna geologiska trove finns många hemligheter från vår planets förflutna - förändringar i klimat, havskemi och kanske andra ledtrådar till livets ursprung. Men ännu mer information är fortfarande inlåst i havsbottens stenar, som bara väntar på att bli avslöjad.