Dünya Yüzeyinin Derinliklerinde Yaşamın Kökenlerine İlişkin İpuçları | Quanta Dergisi

26 Mart 1961 gece yarısına doğru, Pasifik Okyanusu'nda huzursuzca sallanan dönüştürülmüş bir deniz mavnasının gövdesinde karanlık sular dalgalanıyordu. Gemi, Baja yarımadasının yaklaşık 240 kilometre açıklarındaki bu noktaya yeni ulaşmıştı; denizde o kadar dalgalı bir mücadele verdikten üç gün sonra, mürettebat, "haydut bir fil gibi" ağır zincirlerle güverteye teçhizatını bağlamıştı, romancı John Steinbeck. gemideydi, daha sonra için yazdı hayat dergi.

Kıyıya döndüğümüzde mürettebatın hedefleri hakkında dedikodular uçuşuyordu. Bazıları elmas veya batık hazine avladıklarını iddia etti. Diğerleri deniz tabanında füze saklayacak bir yer aradıklarından şüpheleniyordu. Ancak ekibin hedefleri en çılgın söylentilerden bile daha büyüktü. Jeolog Walter Munk'un La Jolla'daki evinde alkollü bir kahvaltı üzerine yapılan plan, Dünya'nın kabuğunu delecek ve gezegenin mantosuna, Dünya'nın kabuğu ile yer kabuğu arasında sıkışmış sıcak, kayalık bir katmana ulaşacak kadar derin bir delik açmaktı. onun çekirdeği.

Şimdi, Mohole Projesi olarak bilinen çabanın üzerinden 62 yılı aşkın bir süre geçtikten sonra, bilim insanları hâlâ Dünya'nın kabuğunun sağlam bir bölümünü başarıyla delmeyi başaramadı. Ancak geçtiğimiz baharda, onlarca yıllık sondaj gemisindeki bir ekip JOIDE Çözünürlük bir sonraki en iyi şeyi başardılar: Atlantik deniz tabanında, kabuğun özellikle ince olduğu bir bölgeden bir manto kayası hazinesi çıkardılar. Alan, tektonik plakaların yavaş kaymasının manto kaya bloklarını yüzeye yaklaştırdığı Atlantis Masifi olarak bilinen bir denizaltı dağının tepesinde bulunuyor.

Manto gezegenimizin büyük kısmını oluştursa da, kayaları genellikle yüzeyin kilometrelerce altına gömülü olduğundan taze örneklerin alınması zorlaşıyor. Ancak geçen baharda kazılanlar gibi manto kayaları, Dünya'nın derin işleyişine dair ipuçları sunabilir ve araştırmacıların dünyamız için temel olan tektonik koreografiyi daha iyi anlamalarına yardımcı olabilir.

Yeni toplanan kayalar aynı zamanda gezegenimizin başka bir tanımlayıcı özelliğine, yani hayata dair ipuçları da barındırıyor olabilir.

Deniz suyu manto kayasıyla buluştuğunda, bir dizi kimyasal reaksiyon, yaşamın ilk kıvılcımlarını tutuşturmak için gereken organik bileşikleri oluşturabilecek bir kokteyl oluşturur. Bilim adamları, Atlantis Masifi'nin tepesinde genişleyen bir jeolojik metropol olan Kayıp Şehir hidrotermal havalandırma sisteminde mikrobiyal yardım olmadan yaratılan küçük organik moleküllerin ipuçlarını zaten bulmuşlardı. Bazı bilim insanları uzun süredir bu tür ortamların gezegenimizin en eski yaşam formlarını kuluçkaya yatırmış olabileceğini öne sürüyordu. Şimdi, ekibin yakın zamanda deniz tabanının bir kilometreden daha derininde açtığı sondaj, bu hidrotermal sistemin atan kalbi gibi görünen yere ulaştı.

"Bu bize bir olasılıklar dünyası açıyor" dedi Susan LangWoods Hole Oşinografi Enstitüsü'nden bir biyojeokimyacı olan ve keşif gezisine liderlik eden kişi.

Şimdiden sondaj sularında organik senteze güç sağlamak için yüksek konsantrasyonlarda hidrojen gazının mevcut olabileceğine dair ipuçları var. Bu doğal laboratuvar, ekibin Kayıp Şehir'in kulelerinden sızan hayat veren yahninin kökenini çözmesine yardımcı olmayı vaat ediyor ve onlara organizmaların olmadığı bir dünyanın organik kimyasını - yaşam var olmadan önceki yaşamın kimyasını ya da yaşamın var olduğu zamanları - inceleme olanağı sağlıyor. son derece kıt. Aşırı yeraltı koşullarında hayatta kalabilen az sayıdaki mikrop, aynı zamanda ilk canlıların nasıl geçindiklerine dair ipuçları sunabilir ve sonuç olarak bilim adamlarının kimyasal bileşikleri canlılara dönüştüren önemli adımları çözmelerine yardımcı olabilir.

Kayıp Bir Şehir İnşa Etmek

Lang, yaklaşık yirmi yıl önce, Kayıp Şehir havalandırma deliklerine ilişkin ilk ayrıntılı çalışmayı yürüten gemide kendisine yer teklif edildiği günü hâlâ hatırlıyor. Gözlerinden heyecan gözyaşları aktı. O zamanlar Washington Üniversitesi'nde yüksek lisans öğrencisi olan Lang, "Kimseye danışmadan evet dedim" dedi.

Onun coşkusu, ışıltılı, yarı saydam sıcak su sütunlarının ilk kez araştırma gemisindeki bilim adamları tarafından fark edildiği Kayıp Şehir'in devrimci doğasını yansıtıyordu. Atlantis O zamanlar, bilinen tüm diğer hidrotermal havalandırma sistemleri karanlıktı; bacaları okyanusa kalın, dumanlı, yakıcı sıvı pompalayan volkanik sülfitler tarafından karartılmıştı. Ama Kayıp Şehir'in kuleleri hayalet gibi beyazdı.

Bilim adamlarının çok geçmeden öğrendiği gibi, açık renk tonu deniz suyu ile Atlantis Masifi'nin içinde yer alan kaya arasındaki reaksiyonlardan kaynaklanıyor. Rainier Dağı'ndan biraz daha uzun olan bu denizaltı dağı büyük oranda üst mantoya hakim olan bir kaya türü olan peridotitten oluşuyor. Dağ, Kuzey Amerika ve Afrika tektonik plakalarının yavaş yavaş birbirinden ayrıldığı orta Atlantik sırtının sakin değişimlerinden oluştu. Bu hareket üst kabuğu soydum Yükselen zirveden peridotit çekirdeğinin parçaları açığa çıkıyor.

Peridotit normalde kabuğun kilometrelerce altında kalır. Deniz suyunun kayaların içindeki çatlaklara sızabileceği Dünya yüzeyine o kadar yakın ki dengesizdir. Bu gerçekleştiğinde, peridotitte baskın olan olivin adı verilen bir mineral, su molekülleriyle kolayca reaksiyona girer ve serpantinleşme adı verilen bir dizi kimyasal adımı tetikler. Bu işlem suyu son derece alkali hale getirir, böylece yarıktan gelen sıvılar tatlı deniz suyuna karıştığında, soluk mineraller çökelir ve Kayıp Şehir'in bir kaya kadar yüksek olan çarpıcı kulelerini oluşturur. 20 katlı bina.

Ancak serpantinleşmenin bir başka yan ürünü olan hidrojen, Lang ve diğer bilim adamlarını onlarca yıldır bölgeye çekiyor. Doğru koşullar altında hidrojen gazı, mikrobiyal yardım olmadan (veya abiyotik olarak) karbondioksit ve suyu küçük organik bileşiklere dönüştürmek gibi basit kimyasal reaksiyonları besleyebilir. Devam eden reaksiyonlar daha büyük ve daha karmaşık organik moleküller yaratabilir, belki de doğru malzeme karışımı - şekerler, yağlar, amino asitler - en eski yaşam formlarını pişirmek için. Ayrıca hidrojen ve küçük organik maddeler de Dünya'nın ilk sakinlerine yiyecek sağlamış olabilir. Lang, "Hidrojen her şeyin anahtarı gibidir" dedi.

Bu gaz, yüzeyin mineral yapısının günümüzden farklı olduğu ve serpantinleşme reaksiyonlarının daha yaygın hale geldiği erken Dünya'da muhtemelen daha yaygındı.

Atlantis Massif'te Lang ve meslektaşları, mikrobiyal yardım olmadan hangi organik bileşiklerin oluşabileceğini ve bu sıra dışı yer altı büfesinde hangi mikropların hayatta kalabileceğini bilmek istiyor. Sonuçlar, en eski yaşam formlarının nasıl geçimini sağladığına ve aynı zamanda bu antik mikroplardan önceki kimyaya dair ipuçları sunabilir.

Ancak günümüzde Dünya yüzeyinde hem suyun üstünde hem de altında çok sayıda yaşam var ve bu da biyolojinin yardımı olmadan üretilen bileşiklerin tanımlanmasını zorlaştırıyor. Bu özellikle Lost City için geçerli. "Bacaların her yerinde büyüyen sümüklü biyofilmleri görebilirsiniz" dedi William BrazeltonUtah Üniversitesi'nden bir mikrobiyolog ve JOİDELER takım üyesi.

Bu nedenle araştırmacılar gözlerini deniz tabanının altındaki, mikropların ve oksijenin az olduğu, Dünya'nın ilk zamanlarındakine benzer koşullar yaratan bölgelere diktiler. Brazelton'un dediği gibi, "Gerçekten daha derine inmeliyiz."

Doğal Bir Laboratuvar Bulma

1960'lı yıllarda Mohole Projesi, "kahraman bilimin" yaşandığı bir dönemde gezegenimizin keşfedilmemiş derinliklerini araştırma çabalarının başlangıcını işaret ediyordu. Damon Teagle'ın, Southampton Üniversitesi'nde bir jeokimyacı ve birçok bilimsel okyanus sondaj gezisinin emektarı.

İsim, Mohorovičić süreksizliği veya kabuk ile manto arasındaki sınırı tanımlayan Moho üzerine bir oyundu. Kıtaların altında Moho 30 kilometreden daha derinde bulunabilir; deniz tabanının altında 7 kilometreye yakın. Bu nedenle, mantoyu hedef alan ekipler genellikle gemilerden sondaj yapmayı tercih ediyor.

Project Mohole hedefine yaklaşamadı bile sıkıcı 179 metre çökelti ve sadece 4 metre deniz tabanı kayası. Ancak bu çaba bile gezegenimiz hakkında, deniz tabanı çökeltilerinin altında saklananların nispeten genç volkanik kayalar olduğu gerçeği de dahil olmak üzere pek çok bilgiyi ortaya çıkardı; bu bulgu, daha sonra levha tektoniği durumunda önemli bir kanıt olarak hizmet edecek. Aynı zamanda bilim adamlarının hâlâ kullandığı sistemlere dönüşen teknolojiler de üretti; buna gemidekilerin bazıları da dahil. JOIDE Çözünürlük bu geçen bahar.

Ancak bugün bile derin okyanus sondajı son derece zorludur. Öncelikle, sert kayayı delmek matkap uçlarını hızla aşındırır, düzenli uç değişikliklerine neden olur ve aynı küçük sondaj deliğine yeniden girme ihtiyacı doğurur. Bir gemi yüzlerce hatta binlerce metrelik suyun üzerinde sallanmak, iğne deliğine iğne batırmak gibidir. Daha da kötüsü, geçen bahardaki keşif gezisi uğursuz bir başlangıç ​​yaptı. Ekip ilk pilot deliğini açarken matkap ucu sıkıştı ve geminin sonsuza kadar Atlantis Masifi'ne demirli kalmasını önlemek için mürettebat bir dinamit patlamasıyla bağlantıyı kesti. Daha sonra sistemin, matkabın sondaj deliğine defalarca girmesine izin veren kısmı parçalara ayrıldı.

Biraz yaratıcılıkla nihayet şu anda U1601C olarak bilinen ve yaklaşık 850 metre suyun altında bulunan bir alanda sondaj yapmaya başladılar. İşte o zaman şansları değişti.

Çoğu deniz tabanı sondaj gezisinde ilerleme yavaştır; kayalık çekirdekler her üç saatte bir güverteye taşınır. Ama bir kez JOİDELER Ekip yola çıktığında neredeyse her saat başı gemiye yeni çekirdekler yüklüyorlardı. Çekirdekleri işleyen bilim insanları zar zor ayak uydurabildiler ve ne olduğunu anlamadan matkap ucu manto kayalarına çarptı.

Bu keşif gezisinden önce, değiştirilmiş manto kayaları üzerinde şimdiye kadar yapılmış en derin sondaj, 200 metre. Ancak JOİDELER Ekip bu mesafeyi sadece birkaç günde kat etti ve sonunda sıkıldı 1,267.8 metre çoğunlukla peridotitten oluşur. Son girişimin bir parçası olmayan Teagle, "Bu gerçekten dikkate değerdi" dedi.

Lang için en büyük sürprizlerden biri sondaj kuyusunun derinliklerinde saklıydı. Mürettebat, son çekirdeği çıkardıktan sonra boş deliği temiz suyla yıkadı ve doğal sıvıların ve gazların 72 saatten fazla bir sürede geri sızmasına izin verdi. Daha sonra çeşitli derinliklerdeki sondaj suyunu topladılar ve hidrojen gazı analizi de dahil olmak üzere bir düzineden fazla kimyasal teste ayırdılar.

Lang en fazla yeraltında eser miktarda hidrojen bulmayı bekliyordu. Ancak en derin su örneği o kadar çok gaz içeriyordu ki, yüzeye çıktıkça tüpte kabarcıklar oluştu; bu, taze bir gazoz kutusunu açtığınızda meydana gelen olaya benzer.

Kendisinin ve Brazelton'ın tepkisini hatırlatan Lang, "Biz adeta bok gibiydik" dedi. "Çok fazla küfür vardı"

Sular, abiyotik reaksiyonları güçlendirmek için gereken yakıt olan hidrojenle dolu.

Yapı Taşlarının Yapı Taşları

Keşif gezisinin üzerinden altı aydan fazla süre geçtikten sonra ekip hâlâ çok sayıda numuneyi işliyor; suyun kimyasını inceliyor, mikropları tanımlıyor, kayaları karakterize ediyor ve daha fazlasını yapıyor. "İnsanlar bu kayalar üzerinde elementel analizlerden oluşan bir alfabe çorbası yapacaklar" dedi Andrew McCaigKeşif gezisine liderlik eden Leeds Üniversitesi'nden bir jeolog.

Ön modeller, sondaj deliğinin tabanına yakın sıcaklıkların, şu anda bilinen yaşam sınırı olan 122 santigrat dereceye bile ulaşabileceğini ima ediyor (gerçi bazı çalışmalar limitin daha da yüksek olabileceğini gösteriyor). Lang, modellerin onaylanması gerektiği konusunda uyarıyor çünkü bunlar, sondaj sırasında dolaşan soğuk sular nedeniyle sondaj kuyusu sıcaklıkları hafifçe bastırıldığında yapılan ölçümlere dayanıyor. Ancak koşulların bu kadar aşırı olduğu doğrulanırsa derinlik, bilim adamlarının mikropların karmaşık etkisi olmadan yaşamı besleyen kimyasal reaksiyonları incelemesine olanak tanıyacak.

Bu, yaşamın sulu kökenlerini inceleyen bilim insanları için ileriye doğru atılmış önemli bir adım olacaktır. “Bugün Dünya'da abiyotik veya prebiyotik kimyaya tanık olmak gerçekten zor çünkü yaşam hakim; Hayat her yerde” dedi Laurie MavnasıNASA'nın Jet Propulsion Laboratuvarı'nda keşif gezisinin bir parçası olmayan bir astrobiyolog.

İlk analizler aynı zamanda sondaj suyunda küçük organik asit formatının mevcut olduğunu da ortaya koyuyor. Format, karbondioksit ve hidrojen arasındaki reaksiyonlardan abiyotik olarak oluşabilen en basit bileşiklerden biridir ve Dünya'nın erken dönemlerinde yaşamın ilk parıltılarına doğru bir ilk adımı işaret edebilir.

Lang, "Bu, yapı taşlarını inşa etmenin hammaddesidir" dedi. Formatla devam eden abiyotik reaksiyonlar, enzimler ve diğer proteinler gibi yaşam için gerekli moleküller halinde bir araya getirilebilen amino asitler gibi daha büyük organik bileşikler üretebilir.

Ancak Atlantis Masifi'ndeki kimyasal tablonun büyük kısmı bulanık kalıyor. Sondaj deliğinin derinliklerindeki format, yakınlardaki daha sığ yeraltı yüzeyinde olduğu gibi mikrobiyal yardım olmadan oluşmuş olabilir, ancak emin olmak için daha fazla test yapılması gerekiyor. Su ayrıca, bazı bilim adamlarının erken metabolizmalar için hayati önem taşıdığını düşündüğü ve hidrojenle reaksiyonlardan abiyotik olarak üretilebilen bir bileşik olan metan da içeriyor. Ancak Lost City'de metanın nasıl oluştuğu başka bir gizem; bunun "karmaşık ve kafa karıştırıcı" olduğunu söyledi Brazelton.

Barge, doğadaki abiyotik reaksiyonların tanımlanmasının, araştırmacıların erken Dünya'yı veya diğer dünyaları daha yakından simüle etmek için koşulları değiştirebilecekleri prebiyotik kimyayı test eden gelecekteki laboratuvar deneyleri için bilgi sağlayabileceğini açıkladı. "Kayıp Şehir gerçekten özel bir yer" dedi.

Mikrop Avcılığı

Derin sondajda yaşam olmasa bile, elde edilen neredeyse benzeri görülmemiş miktardaki kaya çekirdeği, bilim adamlarının su kimyasındaki ve kaya türlerindeki değişimleri, yeraltında yaşam sağlayabilecek birkaç mikropla ilişkilendirmesine yardımcı olacak. Kıt yeraltı kaynaklarında mikropların nasıl hayatta kaldıklarını incelemek (belki de hidrojen ve diğer abiyotik olarak oluşan bileşikleri yiyerek) erken yaşama dair resmimizi keskinleştirmeye yardımcı olabilir.

Özellikle Brazelton, mikropların hidrojeni ve küçük organik bileşikleri enerjiye dönüştürmek için kullandıkları spesifik enzimlerin peşinde. Brazelton, "Buradaki fikir, kayalarda kimyanın devam etmesi ve bir noktada bu kimyanın hayata dönüşmesidir" dedi. Bu enzimler, araştırmacıların ilk metabolizmaların nasıl ortaya çıktığını çözmek için evrimsel saati geri almalarına yardımcı olan bir düğme olabilir.

Diğer çabaların ise kayadan alınan numunelerin kuluçkaya yatırılması ve derindeki mikropları çalışırken yakalamaya yönelik olduğu belirtildi. Fengping WangŞangay Jiao Tong Üniversitesi'nde bu çalışmaya liderlik eden jeomikrobiyolog. Wang neredeyse yirmi yıldır yeraltındaki yaşamı araştırıyor, ancak kendisi ve diğer derin biyosfer araştırmacıları büyük ölçüde okyanus çökeltilerinde saklanan mikropları araştırdılar. “Kaya mikropları hakkında çok az şey biliyoruz” dedi. "Derin biyosferdeki son sorulardan biri bu: Sert kayaların içinde ne var?"

Cevap arayışı içinde Wang, gemideki yüzlerce çekirdek örneğini toz haline getirdi ve her birini metal bir reaktör tüpüne veya cam şişeye yerleştirdi. Numunelere çeşitli yiyecekler ekledi; bilinmeyen bir diyet çeşitliliğine uygun mikrobiyal bir tatma menüsü. Daha sonra nelerin büyüyeceğini görmek için örnekleri farklı sıcaklıklarda inkübe etti.

Genel olarak yaklaşık 800 kuluçka kurdu ve gemideki laboratuvarda onlarla bir fotoğraf çektirdi, "sıkı çalışmamı göstermek için" dedi kıkırdayarak. Resimde önündeki masanın her santimi cam şişelerle dolu, bunlar da toplam örneklerinin sadece bir kısmı.

Wang'ın ön sonuçları bazı örneklerde aşırı metan bulunduğunu ortaya koyuyor ancak gazın geğirmeden mi yoksa tepkimeye giren kayalardan mı geldiği henüz belli değil.

Pek çok alandaki bilim insanları ekibin bulgularını sabırsızlıkla bekliyor. "Gerçekte hangi kimyasal süreçlerin gerçekleştiğine dair kesinlikle çok daha iyi bir görüşe sahip olacağız" dedi Yoshinori MiyazakiKaliforniya Teknoloji Enstitüsü'nde jeofizikçi olan Dr.

Ancak son çalışmayı çevreleyen heyecan ve zafer, aynı zamanda üzüntüyle de renkleniyor. Bu sefer sonunculardan biri JOIDE ÇözünürlükDünya çapında okyanus sularında kırk yıl süren çığır açan araştırmaların ardından 2024 yılı sonunda emekliye ayrılacak. Şu anda geminin yerini alacak somut bir plan yok, bu da ABD'li bilim adamlarının okyanus araştırmalarında büyük bir boşluk bırakmasına neden oluyor.

Uzun görev süresi boyunca gemide seferler yapıldı. JOIDE Çözünürlük Deniz tabanından 350 kilometreden fazla çekirdek ele geçirildi. Bu jeolojik hazinede gezegenimizin geçmişine dair pek çok sır gizlidir; iklimdeki değişimler, okyanus kimyası ve belki de yaşamın kökenine dair diğer ipuçları. Ancak daha da fazla bilgi hâlâ deniz tabanındaki kayaların arasında kilitli ve açığa çıkmayı bekliyor.