Ocean Vent Explorer vezeti a NASA pillantását a jeges idegen világokra | Quanta Magazin

Fiúként az angliai Rochesterben nőtt fel, Chris German tudott családja erős tengerészeti hagyományairól, és nem állt szándékában ezt folytatni. Egyik nagyapja élete nagy részében a Királyi Haditengerészetnél szolgált, míg a másik a Chatham Naval Dockyardban dolgozott, akárcsak German apja és két nagybátyja. Jóllehet German egy 1708-ban alapított iskolába járt, hogy a jövő óceánjáróit képezze, megfogadta, hogy soha nem megy tengerre.

Germannak határozott véleménye volt más karrierekről is, amelyeket soha nem fontolna meg. Nem szerette a geológiát, ami korlátozott tapasztalata szerint azt jelentette, hogy édesanyjával és bátyjával a Temze torkolatában szaggatott sárban sétáltak, és a sárban szitáltak kövületek után. A biológia egy másik tantárgy volt, amely iránt kevés lelkesedéssel foglalkozott.

A fiatal German ezért mélyen csalódott lehetett, amikor megtudta, hogy felnőtt énje tengeri geokémikus lesz. Ez a választás mindazonáltal áldás volt a mélytengeri birodalom tudományos megértésének elősegítésében. German, aki jelenleg a Woods Hole Oceanográfiai Intézet vezető tudósa, talán mindenkinél többet tett a hidrotermikus szellőzőnyílások feltárásáért – az óceán kéregében lévő repedésekért, amelyek forró, ásványi anyagokban gazdag folyadékokat bocsátanak ki a tengerekbe.

„Zseniális abban, hogy mélységben dolgozik, és megtalálja a hidrotermikus szellőzőket és az általuk támogatott biológiai közösségeket” – mondta. Adam Soule, a Rhode Island Egyetem oceanográfusa.

Az első hidrotermikus szellőzőnyílásokat a Galápagos-szigetektől körülbelül 250 mérföldre észlelték tudósok 1977-ben, amikor German középiskolás volt. Ezt követően évekig az volt az uralkodó nézet, hogy hidrotermális szellőzők csak a Csendes-óceánon léteztek. German segített megváltoztatni ezt: ő volt az első, aki felfedezett szellőzőnyílásokat az Antarktiszon és a Jeges-tengeren. Egyes oldalakat vizsgált meg, másokat pedig első kézből Alvin és más tengeralattjárókat, de érzékelőket, robotszondákat és egyéb műszereket is kifejlesztett, amelyek segítségével távolról is készíthet képeket, méréseket és mintákat a tenger alatti környezetből.

Az élet és az abban rejlő lehetőségek kiemelkedő szerepet játszottak ezekben a tengerfenéki felfedezésekben. Több mint 600 új fajt találtak virágzó ökoszisztémákban olyan szellőzőhelyek közelében, amelyek teljesen el vannak zárva a napfénytől és a fotoszintézis gyümölcseitől. 2012-ben German expedíciót vezetett a Közép-Kajmán-emelkedéshez – a Karib-tenger tövében található víz alatti hegylánc (vagy óceánközépgerinc) terjedő központjához, ahol a tektonikus lemezek eltávolodnak egymástól. Ott először volt szemtanúja kollégáival a víz alatti abiotikus szintézisnek – szerves molekulák, az élet építőkövei létrehozásának, teljesen nem biológiai folyamatok révén.

„Ez volt a kiindulópont az asztrobiológiában való részvételemhez” – mondta German. „Az ehhez hasonló felfedezések segítettek a NASA-nak ráébredni, hogy vannak olyan víz alatti környezetek, amelyek fontosak számukra, és [ez] fontossá válhat a Földön túli élet jövőbeli kutatásában.”

2020-ban németet kértek fel egy ötéves, 7.6 millió dolláros NASA által finanszírozott projekt vezetésére. Óceáni világok felfedezése, akiknek az a feladata, hogy stratégiákat dolgozzanak ki az élet felkutatására az Európa, az Enceladus, a Titán, a Triton és más naprendszerünkben található óceánok jéggel borított óceánjaiban. A technikai kihívások ijesztőek – ismerte el –, de a NASA-nak nem kell a nulláról újra feltalálnia a kereket, mert nagy tapasztalattal rendelkezünk a problémák megoldásában itt, a Föld óceánjaiban.

Német beszélt vele Quanta a massachusettsi Woods Hole-ból, mélytengeri kalandjairól a Jeges-tengeren tett kirándulásai és a Hawaii melletti aktív víz alatti vulkán közötti beszélgetések során. Az interjút az egyértelműség kedvéért sűrítettük és szerkesztettük.

Hogyan sikerült végül az ellenkezőjét teljesítenie annak, amit karrierje során várt?

1981-ben egyetemi hallgatóként jelentkeztem a Cambridge-i Egyetemre, azzal a szándékkal, hogy vegyészmérnök legyek, de ez elég gyorsan megváltozott. A legelső hetemben egy előadó, aki történetesen óriás volt a lemeztektonika területén, az Alpok fejlődéséről beszélt nekünk. Eddig csak egyszer voltam kint az Egyesült Királyságból, egy családi kiránduláson a svájci Alpokban, ahol lenyűgözött a természet szépsége. Amikor megtudtam, hogy az elmélet, ami megmagyarázza mindazt, ami a geológia része – egy olyan terület, amely lehetővé teszi számomra, hogy vulkánokat és földrengéseket tanulmányozzak –, úgy döntöttem, hogy ez sokkal izgalmasabb lenne, mint egy olajfinomítóban vagy vegyi üzemben dolgozni.

A második év alatt még jobban belemerültem a témába, amikor Steve Sparks, vezető vulkanológus, előadást tartott a Mount St. Helens kitörésről, amely nemrégiben került a címlapokra. Harmadévemben az óceánok kémiájáról tanultam Harry Elderfield. Érdekesen hangzott az ötlet, hogy a kémia és a vulkanológia iránti érdeklődésemet ötvözzem a Föld óceánjaival, ezért inkább a geológiát választottam főnek, mint melléknek. 1984-ben Elderfield felügyelete mellett kezdtem el posztgraduális tanulmányokat tengeri geokémiából.

Mikor kezdett érdeklődni a hidrotermikus szellőzők iránt?

Az első fekete dohányzót, a hidrotermikus szellőzők leglátványosabb fajtáját 1979-ben fedezték fel a Csendes-óceánon, és egy 1981-es cikkben beszámoltak róla. A fekete dohányzók látványos vonásai a tengerfenéknek, és a legforróbb, legsötétebb csóvákat lökdösik ki a közel 200 láb magas ásványi lerakódásokból képződött „kéményekből”. 1985-ben Elderfield és mások Cambridge-ből egy csapat tagja volt, amely felfedezte az első fekete dohányzót az Atlanti-óceánon, a Közép-Atlanti-hátságon. Izgatottan tértek vissza, és ezek egy része egyértelműen rám söpört. Egy évvel később regisztráltam az első körutazásomra.

Hogyan sikerült az első tengeri utazás?

Mielőtt elindultam volna, elmondtam a kollégáimnak, hogy remélem, hogy tetszik, mert már elég messze jártam a doktori címemhez. munka.

A Kanári-szigetekről az Atlanti-óceán közepére hajóztunk, a TAG [Trans-Atlantic Geotraverse] szellőzőhelye fölött, ami nagyjából olyan messze van a szárazföldtől, amennyire minden irányban el lehet jutni. Kedvem voltam, de a harmadik napon megkaptam a tengeri lábamat. Szóval talán mégis volt valami a génjeimben.

Útközben elhaladtunk egy Woods Hole hajó mellett, a Atlantisz II, amely a Alvin alatti. – Soha nem mennék bele ebbe, igaz? – kérdezte tőlem egy hajóstársam.

„Remélem, soha nem lesz alkalmam – válaszoltam –, mert ha megkérnek, nem tudnék nemet mondani. Bár én tényleg klausztrofóbiától szenvedek.”

Néhány évvel később erre kértek fel.

Milyen volt benne lenni a Alvin?

Ez 1989-ben történt, a Massachusetts Institute of Technology-n végzett kétéves posztdoktori diplomám felénél, ahol együtt dolgoztam John Edmond - az első alacsony hőmérsékletű hidrotermikus szellőzők társfelfedezője az 1977-es galápagosi körút során. Edmond és én visszatértünk a TAG-hez, és ezúttal ennek köszönhetően Alvin, közelről láthattam egy fekete dohányost. Alvin már járt ezen a területen, de a pilóta nem tudott biztonságos módot találni arra, hogy elég közel kerüljön ahhoz, hogy jó mintákat vegyen. A fekete dohányzó teteje olyan, mint egy tűzcsap, amelynek teteje le van ütve. Erős áramlás van, amibe belesöpörhetsz, és a kilépő víz akár 400 Celsius fokos is lehet.

A trükk Edmonddal az volt, hogy mélyre ereszkedünk, a kémény tövétől kezdve, ahol viszonylag nyugodtak a dolgok, majd óvatosan felfelé haladunk. Így tudtuk megszerezni az első igazán jó mintákat arról a lelőhelyről – kénnel, vassal, rézzel, cinkkel és ólommal teli víz, ami miatt feketének tűnik. Ez volt az első sikeres mintavétel egy hidrotermikus szellőzőből az Atlanti-óceánon.

Csak bent lenni Alvin élmény volt. Csak két tudós és egy pilóta fér el benne, és csak nyolc órát veszítesz. Az idő gyorsan telik, mert minden olyan elsöprő. Nagy az esélye, hogy olyasmit lát, amit még senki más nem látott. És hihetetlenül izgalmas volt ilyen közel kerülni egy fekete dohányoshoz. Nem vezethetsz egyenesen egy Yellowstone-i meleg forráshoz. És ez a kifolyó az óceán fenekén, az Old Faithful-tól eltérően, évezredek óta folyamatosan folyik. Ez a bolygónkba zárt erőről és energiáról beszél.

Az MIT-ben eltöltött két év alatt szenvedélyem támadt a hidrotermikus szellőzők tanulmányozása iránt. A kérdés, amivel megküzdöttem, a következő volt: Ha elhagyom és visszatérek az Egyesült Királyságba, hogyan játszhatok el egy új és eredeti szerepet?

Hogyan szándékozott hozzájárulni ehhez a területhez?

Ne feledje, amikor néhány évvel azelőtt elkezdtem a posztgraduális iskolát, még mindig az volt a vélemény, hogy az Atlanti-óceánon nincsenek hidrotermikus szellőzők. Tudtuk, hogy ez nem igaz, de kíváncsi voltam, hány hidrotermikus mező van ezen a bolygón, és mi volt a leghatékonyabb módja ezek felkutatásának.

Rájöttem, hogy bár maga a szellőző általában csak akkora, mint egy futballpálya, a belőle kilépő csóva olyan, mint egy gombafelhő, amely a vízoszlopba emelkedik és kitágul. A vas, a mangán és más fémek koncentrációja még 10,000 100-szeres hígítás után is százszor nagyobb, mint a közönséges tengervízben. Kémiai mérések elvégzése nélkül is találhattunk bizonyítékot ezekre a csóvokra, pusztán optikai érzékelőkkel a víz zavarosságának mérésére. És a csóvák terjedésének módja miatt ezeket a jellemzőket néha több száz kilométeres távolságból is észlelni lehetett.

Miután 1990-ben befejeztem a posztdoktori tanulmányaimat, visszatértem az Egyesült Királyságba, ahol Wormley faluban, a National Institute of Oceanography-ban helyezkedtem el. Már nem fértem hozzá egy tengeralattjáróhoz, mint pl Alvin, de az intézet egyik csoportja éppen egy vontatható műszert fejlesztett ki, amely szonárral térképezte fel a tengerfenéket. Azt mondtam, hogy ha felhelyezzük az optikai szenzoraimat arra a járműre, meg tudnám találni, hol van az összes hidrotermikus tevékenység.

Amikor először alkalmaztuk ezt a megközelítést, hat új szellőzőhelyet találtunk az Atlanti-óceánon, ahol korábban csak kettőt ismertek. Már nem arról volt szó, hogy véletlenül belebotlott a dolgokba; szisztematikusan foglalkozhatnánk vele.

Mi volt a következő nagy előrelépés a hidrotermikus szellőzők keresésében?

Az 1990-es évek elején a hagyományos bölcsesség azt tartotta, hogy a „lassan terjedő” vagy „ultralassan terjedő” óceáni gerinceken nincs hidrotermális tevékenység, ahol a tektonikus lemezek évente mindössze 10-50 milliméterrel távolodnak el egymástól. (A gyorsan terjedő gerinceken a lemezek mozgása 10-szer gyorsabb.) Nem értettem, hogy ennek miért kell igaznak lennie, és 1997-ben elvittük optikai érzékelőinket az Indiai-óceán ultralassú délnyugati hegygerincére, amely az egyik leglassabb. terjedő gerincek ismertek. Hat hidrotermális szellőzőhelyet találtunk ott. Két évvel később hidrotermális tevékenységet találtunk az Antarktisz közelében, a feltáratlan óceán még távolabbi részén. Ekkorra már biztosnak éreztem magam abban a hitben, hogy ezek a szellőzőnyílások bárhol létezhetnek. Ami azt jelentette, hogy valami újat és mást kell csinálnom.

És ihletet találtál a nemzetközi világban A tengeri élőlények összeírása, egy évtizedes (2000-2010) erőfeszítés a tengeri élet összességének katalogizálására?

Pontosan. 1977 óta már több száz új fajt fedeztek fel a hidrotermikus szellőzőkön, és a felfedezés üteme nem lassul – és még mindig nem lassul. Minden új szellőzőhelyen új fajokat találunk. Ezekben a közösségekben a táplálékhálók alapját kemoszintetikus mikrobák alkotják, amelyek energiát kémiai reakciókból nyernek, nem pedig napfényből. Ez a tény felkeltette a NASA érdeklődését a jéggel borított óceánok iránt más világokon, ahol nincs fotoszintézis, de még mindig vannak olyan körülmények, beleértve a hidrotermális aktivitás jelenlétét, amelyek életet szülhetnek.

Ismertessen néhány kutatást, amelyet a NASA támogatásával végzett. 

Az első finanszírozásom a NASA-tól négy körutazást támogatott 2009 és 2013 között a Karib-tengeri Közép-Kajmán felemelkedéshez. Azt találtuk, hogy ezekből a szellőzőnyílásokból nagy mennyiségű hidrogén szabadult fel, ami lehetővé tette a szerves vegyületek szintézisét. Ezeket a vegyületeket ráadásul újonnan hozták létre – „abiotikusan szintetizálták” –, és nem csak állatokból hasznosították újra. Azt javasoltuk, hogy így lehet egy geológiailag aktív rendszerből biológiailag aktív rendszerré válni.

A következő lépés az volt, hogy egy jéggel borított óceánban dolgozzunk, mint amilyenekről azt hiszik, hogy az Európán és az Enceladuson léteznek. 2014-ben kaptam a lehetőséget egy Jeges-tengeri kiránduláson egy német jégtörő fedélzetén, amely egy akkumulátoros tengeralattjáróval volt felszerelve, amelynek fejlesztésében segítettem. A ROV-nak (távirányítású járműveknek) nevezett lekötött robotaljárók általában nehéz elektromos kábelekkel rendelkeznek, amelyek függőlegesen lógnak, és csak 50 métert tesznek lehetővé oldalirányban, ami nem működik jól egy olyan óceánban, ahol a jég mindig mozog. Akkumulátoros aljzatunk vékony száloptikai kábellel rendelkezik az adatátvitelhez és a kommunikációhoz, amely lehetővé teszi, hogy sok kilométert oldalra tudjon menni. Láttunk egy fekete dohányzót – ez volt az első hidrotermikus szellőzőnyílás az Északi-sarkon – mindössze két órával a küldetés vége előtt.

2019-ben egy norvég jégtörőn visszatértem arra a helyre, az Aurora szellőzőmezőre, egy jobb kamerával, amely lehetővé tette, hogy lássunk néhány szellőző állatot. Norvég kollégáink 2021-ben tértek vissza, és begyűjtötték az első biológiai mintákat erről a területről. Akkoriban távol voltam a Csendes-óceán távoli délkeleti részének felfedezéséről, különben csatlakoztam volna hozzájuk.

Miért tartja az Aurorát jó modellnek az óceáni világok számára?

Kezdetnek az Északi-sarkvidék az egyetlen jéggel borított óceánunk. Sőt, kimutattuk, hogy az Aurora szellőzőnyílásai hidrogénben gazdagok, tehát minden jel arra mutat, hogy megvannak a geológiai feltételeink, mivel ez egy jéggel borított óceán, amely szerves vegyületek abiotikus szintézisét idézheti elő. Még ezen a nyáron visszatérünk Aurórába, abban a reményben, hogy megerősítjük ezt a hipotézist. Azt is szeretnénk megmutatni, hogy ezek a szellőzőnyílások a Föld legprimitívebb életformáit rejtik.

Ezen a nyáron a Jet Propulsion Lab mérnökeivel töltök időt az Északi-sarkvidéken, és olyan robotokon dolgozom, amelyek képesek átvágni a jeget, és reméljük, hogy egyszer sikerülni fog az Európán. Mit fogunk tenni, ha egyszer átjutunk a jégen egy másik bolygón? Nos, szükségünk lesz olyan elektronikus eszközökre, amelyek nagy nyomáson, nedves és sós környezetben is működnek, és erősen korrozívak. Ez az, ami miatt a NASA-nak hagyományosan nem kellett aggódnia, de az óceánmérnökök minden nap erre gondolnak. Amin most dolgozunk, az Exploring Ocean Worlds projekten keresztül, hogy összekeverjük ezt a két szakértelmet.

Ezen túlmenően a következő prioritásom az lesz, hogy visszatérjek egy hawaii tengerparti [víz alatti vulkánhoz], amelyet korábban többször is meglátogattunk, részben azért, mert olyan mélységű és víznyomásviszonyok vannak, mint az Enceladus tengerfenékén.

A több kirándulás idén és a korábbi években az évtizedek során, mi késztet arra, hogy visszatérjen ezekre az óceáni utakra?

Ennek nagy része az, hogy soha nem lesz unalmas. Soha nem hagyjuk abba a tanulást. Az óceánok olyan nagyok, és olyan kevéssé kutatottak, hogy mindig feszegetjük a tudás határait, amit nem lehet minden területről elmondani. A világ óceánközépi hátságainak XNUMX százalékát még nem tárták fel szellőztetés céljából. Folyamatosan alázatos vagyok, hogy több történik, mint amit valaha is lehetségesnek tartottam. Bolygónk felszínének nagy részét mély óceán borítja, ezért valakinek oda kell figyelnie rá.

Utólag visszagondolva, mit gondol az egykor tett fogadalmáról, hogy soha nem mész tengerre?

Megtanultam, hogy fontos nyitottnak maradni, és követni az életet, bárhová is visz. Szerintem ez általánosságban nagyon jó tanács.