Глибоко під поверхнею Землі, ключі до витоків життя | Журнал Quanta

Близько опівночі 26 березня 1961 року темні води хлюпали корпус переобладнаної військово-морської баржі, яка нудотно гойдалася в Тихому океані. Корабель щойно прибув до цього місця, приблизно за 240 кілометрів від півострова Баха, після трьох днів боротьби з морем, настільки бурхливого, що екіпаж прив’язав спорядження до палуби важкими ланцюгами, «як негідний слон», романіст Джон Стейнбек, який був на борту судна, пізніше написав для життя журнал.

На березі поповзли чутки про цілі екіпажу. Деякі припустили, що вони полювали на діаманти або затонулий скарб. Інші підозрювали, що вони шукали місце, щоб сховати ракету на морському дні. Але цілі команди були навіть вищими, ніж найсміливіші чутки. План, який виношувався під час алкогольного сніданку в Ла-Хойя, у будинку геолога Вальтера Мунка, полягав у тому, щоб просвердлити отвір настільки глибоко, що він міг би пробити земну кору й досягти мантії планети, гарячого кам’янистого шару, затиснутого між земною корою та його ядро.

Тепер, через понад 62 роки після проекту, відомого як проект Mohole, вченим ще належить успішно пробурити непошкоджену ділянку земної кори. Але минулої весни команда на борту бурового судна the Резолюція JOIDES досягли наступної найкращої речі: вони знайшли скарбницю мантійних порід із області морського дна Атлантики, де кора особливо тонка. Це місце розташоване на вершині підводної гори, відомої як масив Атлантида, де повільні зрушення тектонічних плит підштовхнули блоки мантійних порід ближче до поверхні.

Хоча мантія становить основну частину нашої планети, її породи зазвичай поховані на кілометри під поверхнею, тому свіжі зразки важко отримати. Але мантійні породи, такі як ті, що були розкопані минулої весни, можуть запропонувати підказки до глибинних процесів Землі та допомогти дослідникам краще зрозуміти тектонічну хореографію, яка є фундаментальною для нашого світу.

Нещодавно зібрані камені також можуть містити підказки до іншої визначальної особливості нашої планети — життя.

Коли морська вода зустрічається з породою мантії, серія хімічних реакцій створює коктейль, який може створити органічні сполуки, необхідні для запалювання перших іскор життя. Вчені вже знайшли натяки на невеликі органічні молекули, створені без допомоги мікробів, у гідротермальній системі Загубленого міста, розгалуженому геологічному мегаполісі на вершині масиву Атлантида. Деякі вчені вже давно припускають, що в такому середовищі могли інкубувати найдавніші форми життя нашої планети. Тепер нещодавно пробурена свердловина, яка просвердлена понад кілометр нижче морського дна, досягла того, що, здається, є серцем цієї гідротермальної системи.

«Це відкриває перед нами цілий світ можливостей», — сказав він Сьюзан Ленг, біогеохімік з Океанографічного інституту Вудс-Хоул, який очолював експедицію.

Вже є натяки на те, що високі концентрації газоподібного водню у свердловинних водах можуть бути доступні для живлення органічного синтезу. Ця природна лабораторія обіцяє допомогти команді розгадати походження життєдайного рагу, яке просочується крізь вежі Загубленого міста, дозволяючи їм вивчати органічну хімію світу без організмів — хімію життя до того, як життя існувало, або коли життя було вкрай дефіцитний. Кілька мікробів, які виживають в екстремальних підземних умовах, також можуть дати підказки про те, як найдавніші істоти заробляли на життя, зрештою допомагаючи вченим розшифрувати ключові кроки, які перетворили хімічні сполуки на істот.

Будівництво загубленого міста

Ленг досі пам’ятає той день, близько двох десятиліть тому, коли їй запропонували причал на судні, яке проводило перше детальне дослідження вентиляційних отворів Загубленого міста. Сльози хвилювання залили її очі. «Я сказав «так», ні з ким не погоджуючись», — сказав Ленг, який на той час був аспірантом Вашингтонського університету.

Її запал відображав революційний характер Загубленого міста, чиї мерехтливі, напівпрозорі стовпи гарячої води були вперше помічені вченими на борту дослідницького судна Атлантида у 2000 році. У той час усі інші відомі гідротермальні джерела були темними, з димоходами, почорнілими вулканічними сульфідами, що викачували густі димчасті шлейфи пекучої рідини в океан. Але шпилі Загубленого міста були примарно-білими.

Як незабаром з’ясувалося вченим, світлий відтінок походить від реакції між морською водою та скелею, захованою в масиві Атлантида. Трохи вища за гору Реньє, ця підводна гора в основному складається з перидотиту, породи, яка домінує у верхній частині мантії. Гора утворилася внаслідок поступових зсувів сусіднього Серединно-Атлантичного хребта, де повільно розходяться північноамериканська та африканська тектонічні плити. Цей рух зняли верхню скоринку від висхідного піку, оголюючи смуги його перидотитового ядра.

Перидотит зазвичай затримується під кілометрами земної кори. Він нестабільний так близько до поверхні Землі, де морська вода може проникати в тріщини в скелях. Коли це відбувається, мінерал під назвою олівін, який домінує в перидотиті, легко реагує з молекулами води, викликаючи серію хімічних етапів, які називаються серпентинізацією. Цей процес робить воду дуже лужною, тому, коли рідини з щілини змішуються з прісною морською водою, бліді мінерали випадають в осад і будують приголомшливі шпилі Загубленого міста, які височіють як 20-поверховий будинок.

Але ще один побічний продукт серпентинізації, водень, десятиліттями привертав Ленга та інших вчених до цього місця. За правильних умов газоподібний водень може запускати прості хімічні реакції, такі як перетворення вуглекислого газу та води на невеликі органічні сполуки, без допомоги мікробів (або абіотично). Постійні реакції можуть створити більші та складніші органічні молекули, можливо, крафтінг саме правильне поєднання інгредієнтів — цукру, жири, амінокислоти — для приготування найперших форм життя. Крім того, водень і дрібні органічні речовини також могли забезпечувати їжею перших мешканців Землі. «Водень — це як ключ до всього», — сказав Ленг.

Ймовірно, цей газ був більш поширеним на ранній Землі, коли мінеральний склад поверхні відрізнявся від сучасного, що робило реакції серпентинізації більш поширеними.

У Atlantis Massif Ленг та її колеги хочуть знати, які органічні сполуки можуть утворюватися без допомоги мікробів і які мікроби можуть вижити в цьому незвичайному підземному буфеті. Результати можуть дати підказки про те, як найдавніші форми життя заробляли на життя, а також про хімію, яка передувала цим стародавнім мікробам.

Але сьогодні життя рясніє на поверхні Землі, як над, так і під водою, що ускладнює ідентифікацію сполук, створених без допомоги біології. Це особливо вірно в Загубленому місті. «Ви можете просто побачити сопливі біоплівки, що ростуть по всіх цих димоходах», — сказав Вільям Бразелтон, мікробіолог з Університету Юти та а СОЮЗИ член команди.

Тож дослідники зосередилися на царствах під морським дном, де мало мікробів і дефіцит кисню, створюючи умови, подібні до тих, що були на ранній Землі. Як сказав Бразелтон, «нам потрібно буквально піти глибше».

Пошук природної лабораторії

У 1960-х роках проект Mohole ознаменував початок спроб зануритися в незвідані глибини нашої планети в часи «героїчної науки». Деймон Тігл, геохімік Саутгемптонського університету та ветеран багатьох наукових океанських бурових експедицій.

Назва полягала в грі на розриві Мохоровичіча, або Мохо, який визначає межу між корою та мантією. Під континентами Мохо можна знайти на глибині понад 30 кілометрів; під морським дном, це ближче до 7 кілометрів. Через це команди, які націлюються на мантію, зазвичай вибирають буріння з кораблів.

Проект Mohole навіть не наблизився до своєї мети нудно наскрізь 179 метрів відкладень і лише 4 метри скелі морського дна. Проте навіть ця спроба виявила велику кількість інформації про нашу планету, включно з тим, що під осадовими відкладеннями на морському дні ховаються відносно молоді вулканічні породи — знахідка, яка пізніше стане ключовим доказом у справі тектоніки плит. Він також створив технології, які перетворилися на системи, якими досі користуються науковці, включно з деякими на борту Резолюція JOIDES минулої весни.

Однак навіть сьогодні глибоководне буріння є надзвичайно складним завданням. По-перше, буріння твердих порід швидко зношує бурові долота, змушуючи їх регулярно міняти долота та повторно входити в ту саму крихітну свердловину з корабель підстрибуючи на сотнях чи тисячах метрів води, це все одно, що впустити голку в отвір. Що ще гірше, минула весняна експедиція мала невдалий початок. Поки команда бурила свою першу пілотну свердловину, їх свердло застрягло, і щоб корабель не залишився назавжди прив’язаним до масиву Атлантида, команда розірвала зв’язок вибухом динаміту. Тоді частина системи, яка дозволяла свердлу багаторазово входити в свердловину, розбилася на частини.

Доклавши трохи креативності, вони нарешті взялися за буріння на ділянці, яка тепер відома як U1601C, яка знаходиться під глибиною майже 850 метрів. І тоді їхня доля змінилася.

У більшості експедицій з буріння морського дна прогрес йде повільно, керн скелі витягують на палубу приблизно кожні три години. Але одного разу СОЮЗИ Команда почала працювати, вони завантажували свіжі ядра майже щогодини. Вчені, які обробляли керни, ледве встигали, і перш ніж вони це зрозуміли, бурове долото врізалося в мантійні породи.

До цієї експедиції найдальше, що хтось коли-небудь бурив у змінених породах мантії, було 200 метрів. Але СОЮЗИ Команда подолала цю відстань лише за кілька днів, зрештою нудно 1,267.8 метрів здебільшого перидотиту. «Це було просто надзвичайним», — сказав Тігл, який не брав участі в нещодавньому заході.

Для Ленга один із найбільших сюрпризів був захований глибоко в свердловині. Після видалення останнього керна екіпаж промив порожню свердловину чистою водою та дозволив природним рідинам і газам виповзти назад протягом 72 годин. Потім вони зібрали воду зі свердловини на різних глибинах і розділили її для більш ніж десятка хімічних тестів, включаючи аналіз газоподібного водню.

Щонайбільше, Ленг очікував знайти слідові кількості водню так далеко під землею. Але найглибший зразок води містив стільки газу, що коли він сплив на поверхню, у трубці утворилися бульбашки, явище, схоже на те, що відбувається, коли ви відкриваєте свіжу банку газованої води.

«Ми були схожі на хрена», — сказала Ленг, пригадуючи свою реакцію та реакцію Бразелтона. «Було багато лайки».

Вода переповнена воднем, паливом, необхідним для абіотичних реакцій.

Будівельні блоки будівельних блоків

Понад шість місяців після експедиції команда все ще обробляє величезну кількість зразків — вивчає хімічний склад води, ідентифікує мікроби, характеризує скелі тощо. «Люди збираються провести цілий алфавітний суп елементарних аналізів цих скель», — сказав Ендрю Маккейг, геолог з Університету Лідса, який очолював експедицію.

Попередні моделі натякають, що температура біля дна свердловини може навіть сягати 122 градусів Цельсія, наразі відомої межі для життя (хоча Деякі дослідження припустити, що обмеження може бути ще вищим). Ленг попереджає, що моделі потребують підтвердження, оскільки вони засновані на вимірюваннях, зроблених, коли температура свердловини була трохи знижена прохолодною водою, що циркулює під час буріння. Однак якщо буде підтверджено, що умови є такими екстремальними, глибина дозволить вченим вивчати життєво важливі хімічні реакції без заплутаного впливу мікробів.

Це було б значним кроком вперед для вчених, які вивчають водне походження життя. «Сьогодні на Землі дуже важко спостерігати абіотичну чи пребіотичну хімію, тому що домінує життя; життя є скрізь", - сказав Лорі Бардж, астробіолог з Лабораторії реактивного руху НАСА, який не був учасником експедиції.

Ранні аналізи також показують, що у свердловинній воді присутній невеликий форміат органічної кислоти. Форміат є однією з найпростіших сполук, які можуть утворюватися абіотично, в результаті реакції між вуглекислим газом і воднем, і це може бути першим кроком до перших проблисків життя на ранній Землі.

«Це сировина для створення будівельних блоків», — сказав Ленг. Тривалі абіотичні реакції з форміатом можуть утворювати більші органічні сполуки, такі як амінокислоти, які можна об’єднати в молекули, необхідні для життя, такі як ферменти та інші білки.

Але більша частина хімічної картини масиву Атлантида залишається нечіткою. Форміат глибоко в свердловині, можливо, утворився без допомоги мікробів, як це було в мілководді поблизу, але для впевненості потрібні додаткові тести. Вода також містить метан, сполуку, яка, на думку деяких вчених, була життєво важливою для раннього метаболізму та могла утворюватися абіотично в результаті реакцій з воднем. Але те, як утворюється метан у Загубленому місті, є ще однією загадкою — це «складно і заплутано», — сказав Бразелтон.

Виявлення абіотичних реакцій у природі могло б стати основою для майбутніх лабораторних експериментів з перевірки пребіотичної хімії, де дослідники можуть налаштувати умови для більш точного моделювання ранньої Землі чи інших світів, пояснив Бардж. «Загублене місто — справді особливе місце», — сказала вона.

Полювання на мікробів

Навіть якщо глибока свердловина не позбавлена ​​життя, майже безпрецедентна кількість вилучених скелястих кернів допоможе вченим пов’язати зміни в хімічному складі води та типах гірських порід із кількома мікробами, які можуть жити під землею. Вивчення того, як мікроби виживають серед дефіцитних надр — можливо, споживаючи водень та інші абіотично утворені сполуки — може допомогти чіткіше уявити нашу картину раннього життя.

Бразелтон, зокрема, шукає специфічні ферменти, які мікроби використовують для перетворення водню та малих органічних сполук в енергію. «Вся ідея полягає в тому, що в скелях відбувається хімія, і в якийсь момент ця хімія перетворюється на життя», — сказав Бразелтон. Ці ферменти можуть бути просто ручкою, яка допомагає дослідникам перемотувати еволюційний годинник назад, щоб розшифрувати, як виник найдавніший метаболізм.

Інші зусилля зосереджені на інкубації зразків каменів і спробах зловити глибинні мікроби в дії, пояснив Фенпін Ван, геомікробіолог, який веде цю роботу в Шанхайському університеті Цзяо Тонг. Ван вивчала життя під поверхнею майже два десятиліття, але вона та інші дослідники глибокої біосфери здебільшого шукали мікроби, які ховаються в океанських відкладеннях. «Ми дуже мало знаємо про кам’яні мікроби», — сказала вона. «Це одне з останніх питань у глибокій біосфері: що міститься в твердих породах?»

У пошуках відповідей Ван подрібнив сотні зразків керна на борту корабля, помістивши кожен у металеву трубку реактора або скляну пляшку. Вона доповнила зразки різними продуктами — мікробне дегустаційне меню підходить для невідомої різноманітності дієт. А потім вона інкубувала зразки при різних температурах, щоб побачити, що виросте.

Загалом вона створила майже 800 інкубацій і сфотографувалася з ними в корабельній лабораторії, щоб «показати мою наполегливу працю», — посміхнулася вона. На зображенні кожен дюйм столу перед нею завалений скляними пляшками, які є лише невеликою частиною її зразків.

Попередні результати Ванга показують надлишок метану в деяких зразках, але поки не ясно, чи походить газ від відрижки мікробів чи реагуючих каменів.

Вчені з багатьох галузей з нетерпінням чекають висновків команди. «Ми точно матимемо набагато краще уявлення про те, які фактичні хімічні процеси відбуваються», — сказав він Йосінорі Міядзакі, геофізик Каліфорнійського технологічного інституту.

Однак хвилювання й тріумф, пов’язані з останньою роботою, також відтінені сумом. Ця експедиція є однією з останніх для Резолюція JOIDES, який завершить роботу в кінці 2024 року після чотирьох десятиліть новаторських досліджень в океанських водах по всьому світу. Наразі немає конкретного плану заміни корабля, що залишає зяючу діру в дослідженнях океану для американських вчених.

Протягом тривалого терміну перебування експедиції на борту Резолюція JOIDES витягли з морського дна понад 350 кілометрів кернів. У цій геологічній скарбниці приховано багато таємниць минулого нашої планети — зміни клімату, хімічний склад океану та, можливо, інші підказки про походження життя. Але ще більше інформації все ще замкнено в скелях морського дна й чекає, щоб її розкрили.