In profondità sotto la superficie terrestre, indizi sulle origini della vita | Rivista Quanti

Verso la mezzanotte del 26 marzo 1961, le acque scure lambivano lo scafo di una chiatta navale riconvertita mentre ondeggiava nauseante nell'Oceano Pacifico. La nave era appena arrivata in questo punto, a circa 240 chilometri dalla penisola di Baja, dopo tre giorni di combattimenti in mari così agitati che l'equipaggio aveva legato l'attrezzatura al ponte con pesanti catene, "come un elefante ribelle", come diceva il romanziere John Steinbeck, che era a bordo della nave, in seguito scrisse per Vita rivista.

Tornati a terra, circolavano voci sugli obiettivi dell'equipaggio. Alcuni ipotizzavano che stessero cercando diamanti o tesori sommersi. Altri sospettavano che stessero cercando un posto dove nascondere un missile sul fondo del mare. Ma gli obiettivi della squadra erano ancora più ambiziosi delle dicerie più sfrenate. Il piano, ideato durante una colazione alcolica nella casa del geologo Walter Munk a La Jolla, era quello di praticare un buco così profondo da perforare la crosta terrestre e raggiungere il mantello del pianeta, uno strato caldo e roccioso inserito tra la crosta terrestre e il pianeta. il suo nucleo.

Ora, più di 62 anni dopo l’impresa nota come Progetto Mohole, gli scienziati devono ancora perforare con successo una sezione intatta della crosta terrestre. Ma la scorsa primavera, una squadra a bordo della nave di perforazione vecchia di decenni Risoluzione JOIDES hanno realizzato la cosa migliore: hanno recuperato un tesoro di rocce del mantello da un'area del fondale marino atlantico dove la crosta è particolarmente sottile. Il sito si trova in cima a una montagna sottomarina conosciuta come Massiccio Atlantide, dove i lenti spostamenti delle placche tettoniche hanno spinto blocchi di rocce del mantello più vicini alla superficie.

Sebbene il mantello costituisca la maggior parte del nostro pianeta, le sue rocce sono solitamente sepolte a chilometri sotto la superficie, rendendo difficile il recupero di campioni freschi. Ma le rocce del mantello come quelle scavate la scorsa primavera potrebbero offrire indizi sul funzionamento profondo della Terra e aiutare i ricercatori a comprendere meglio la coreografia tettonica fondamentale per il nostro mondo.

Le rocce appena raccolte potrebbero anche contenere indizi su un’altra caratteristica distintiva del nostro pianeta: la vita.

Quando l’acqua di mare incontra la roccia del mantello, una serie di reazioni chimiche genera un cocktail in grado di creare i composti organici necessari per accendere le prime scintille della vita. Gli scienziati hanno già trovato tracce di piccole molecole organiche create senza l’aiuto microbico nel sistema di ventilazione idrotermale di Lost City, una metropoli geologica tentacolare in cima al massiccio di Atlantide. Alcuni scienziati ipotizzano da tempo che tali ambienti potrebbero aver incubato le prime forme di vita del nostro pianeta. Ora, il foro recentemente praticato dal team, che ha scavato più di un chilometro sotto il fondale marino, ha raggiunto quello che sembra essere il cuore pulsante di questo sistema idrotermale.

"Questo ci apre un mondo di possibilità", ha detto Susan Lang, un biogeochimico della Woods Hole Oceanographic Institution che ha co-guidato la spedizione.

Ci sono già indizi che alte concentrazioni di gas idrogeno nelle acque dei pozzi potrebbero essere disponibili per alimentare la sintesi organica. Questo laboratorio naturale promette di aiutare la squadra a svelare l'origine dello stufato vivificante che scorre attraverso le torri della Città Perduta, permettendo loro di studiare la chimica organica di un mondo senza organismi: la chimica della vita prima che la vita esistesse, o quando la vita esisteva. estremamente scarso. I pochi microbi che sopravvivono alle condizioni estreme del sottosuolo possono anche offrire indizi su come i primi esseri viventi si guadagnavano da vivere, aiutando gli scienziati a decifrare i passaggi cruciali che trasformarono i composti chimici in creature.

Costruire una città perduta

Lang ricorda ancora il giorno, circa vent'anni fa, quando le fu offerto un posto sulla nave che conduceva il primo studio dettagliato delle sorgenti della Città Perduta. Lacrime di eccitazione le inondarono gli occhi. "Ho detto di sì senza consultare nessuno", ha detto Lang, che all'epoca era uno studente laureato presso l'Università di Washington.

Il suo fervore rifletteva la natura rivoluzionaria di Lost City, le cui scintillanti e traslucide colonne di acqua calda furono avvistate per la prima volta dagli scienziati a bordo della nave da ricerca. Atlantis nel 2000. All'epoca, tutti gli altri sistemi di ventilazione idrotermali conosciuti erano bui, con camini anneriti dai solfuri vulcanici che pompavano pennacchi densi e fumosi di fluidi brucianti nell'oceano. Ma le guglie della Città Perduta erano di un bianco spettrale.

Come gli scienziati hanno presto appreso, la tonalità chiara deriva dalle reazioni tra l’acqua di mare e la roccia nascosta all’interno del Massiccio di Atlantide. Un po' più alta del Monte Rainier, questa montagna sottomarina è in gran parte costituita da peridotite, un tipo di roccia che domina il mantello superiore. La montagna si è formata dai graduali spostamenti della vicina dorsale medio atlantica, dove le placche tettoniche nordamericana e africana si separano lentamente. Questo movimento spogliato della crosta superiore dal picco crescente, esponendo strisce del suo nucleo di peridotite.

La peridotite normalmente permane sotto chilometri di crosta. È instabile così vicino alla superficie terrestre, dove l’acqua di mare può insinuarsi nelle fessure delle rocce. Quando ciò accade, un minerale chiamato olivina che domina la peridotite reagisce prontamente con le molecole d’acqua, innescando una serie di passaggi chimici chiamati serpentinizzazione. Il processo rende l'acqua altamente alcalina, quindi quando i fluidi della fessura si mescolano con l'acqua dolce del mare, i minerali pallidi precipitano e formano le meravigliose guglie della Città Perduta, alte quanto un Edificio di 20 piani.

Ma un altro sottoprodotto della serpentinizzazione, l’idrogeno, ha attirato Lang e altri scienziati sul sito per decenni. Nelle giuste condizioni, l’idrogeno può alimentare semplici reazioni chimiche, come trasformare l’anidride carbonica e l’acqua in piccoli composti organici, senza l’aiuto microbico (o abiotico). Le reazioni continue potrebbero creare molecole organiche più grandi e complesse, forse creandosi il giusto mix di ingredienti – zuccheri, grassi, amminoacidi – per cucinare le prime forme di vita. Inoltre, l’idrogeno e piccoli composti organici potrebbero aver fornito cibo ai primi abitanti della Terra. “L’idrogeno è come la chiave di tutto”, ha detto Lang.

Questo gas era probabilmente più comune sulla Terra primordiale, quando la composizione minerale della superficie era diversa da quella odierna, rendendo le reazioni di serpentinizzazione più comuni.

Presso il massiccio dell'Atlantis, Lang e i suoi colleghi vogliono sapere quali composti organici possono formarsi senza l'aiuto microbico e quali microbi potrebbero sopravvivere in questo insolito buffet sotterraneo. I risultati potrebbero offrire indizi su come le prime forme di vita si guadagnavano da vivere, nonché sulla chimica che ha preceduto quegli antichi microbi.

Ma oggi la vita abbonda sulla superficie terrestre, sia sopra che sotto l’acqua, rendendo difficile identificare i composti prodotti senza l’aiuto della biologia. Ciò è particolarmente vero a Lost City. "Puoi semplicemente vedere i biofilm mocciosi che crescono su tutti quei camini", ha detto William Brazelton, un microbiologo presso l'Università dello Utah e a JOIDES membro della squadra.

Quindi i ricercatori hanno messo gli occhi sui regni sotto il fondale marino, dove i microbi sono scarsi e l’ossigeno è scarso, creando condizioni simili a quelle della Terra primordiale. Come ha detto Brazelton: “Dobbiamo letteralmente andare più in profondità”.

Trovare un laboratorio naturale

Negli anni ’1960, il Progetto Mohole segnò l’inizio degli sforzi per scandagliare le profondità inesplorate del nostro pianeta in un periodo di “scienza eroica”, ha affermato Damon Teagle, geochimico dell'Università di Southampton e veterano di numerose spedizioni scientifiche di perforazione oceanica.

Il nome era un gioco di parole sulla discontinuità di Mohorovičić, o Moho, che definisce il confine tra la crosta e il mantello. Sotto i continenti, il Moho si trova a più di 30 chilometri di profondità; sotto il fondale marino, è più vicino a 7 chilometri. Per questo motivo, le squadre che prendono di mira il mantello solitamente scelgono di perforare dalle navi.

Il progetto Mohole non si è nemmeno avvicinato al suo obiettivo noioso 179 metri di sedimenti e soli 4 metri di roccia sul fondale marino. Eppure anche questo sforzo ha rivelato una grande quantità di informazioni sul nostro pianeta, incluso il fatto che sotto i sedimenti del fondale marino si nascondevano rocce vulcaniche relativamente giovani – una scoperta che sarebbe poi servita come prova chiave nel caso della tettonica a placche. Ha anche prodotto tecnologie che si sono evolute in sistemi che gli scienziati usano ancora, incluse alcune a bordo del Risoluzione JOIDES la scorsa primavera.

Ancora oggi, però, le trivellazioni nelle profondità oceaniche rappresentano una sfida tremenda. Per prima cosa, la perforazione di roccia dura consuma rapidamente le punte, costringendo a cambi regolari delle punte e alla necessità di rientrare nello stesso minuscolo foro da una nave galleggiare su centinaia o migliaia di metri d’acqua, il che è come far cadere un ago in uno stenopeico. A peggiorare le cose, la spedizione della scorsa primavera ha avuto un inizio infausto. Mentre la squadra stava perforando il primo foro pilota, la punta del trapano si incastrò e, per impedire che la nave rimanesse ancorata per sempre al Massiccio Atlantide, l'equipaggio interruppe il collegamento con un'esplosione di dinamite. Poi parte del sistema che permetteva alla trivella di rientrare più volte nel foro si è rotto in pezzi.

Con un po' di creatività, riuscirono finalmente a trivellare in un sito ora noto come U1601C, che si trova sotto quasi 850 metri d'acqua. Ed è allora che la loro fortuna è cambiata.

Nella maggior parte delle spedizioni di perforazione dei fondali marini, il progresso è lento, con nuclei rocciosi trasportati sul ponte ogni tre ore circa. Ma una volta che JOIDES la squadra si mise in moto, caricavano a bordo nuovi nuclei quasi ogni ora. Gli scienziati che analizzavano i campioni riuscivano a malapena a tenere il passo e, prima che se ne rendessero conto, la punta del trapano aveva colpito le rocce del mantello.

Prima di questa spedizione, era stata effettuata la perforazione più profonda mai effettuata nelle rocce del mantello alterato 200 metri. Ma l' JOIDES la squadra ha coperto quella distanza in pochi giorni, alla fine annoiando 1,267.8 metri prevalentemente di peridotite. "È stato semplicemente straordinario", ha detto Teagle, che non faceva parte della recente impresa.

Per Lang, una delle sorprese più grandi era nascosta nelle profondità del pozzo. Dopo aver rimosso l'ultimo nucleo, l'equipaggio ha lavato il buco vuoto con acqua pulita e ha lasciato penetrare fluidi e gas naturali per oltre 72 ore. Quindi hanno raccolto l’acqua del pozzo a varie profondità e l’hanno divisa per più di una dozzina di test chimici, inclusa l’analisi del gas idrogeno.

Al massimo Lang si aspettava di trovare tracce di idrogeno nel sottosuolo. Ma il campione di acqua più profondo conteneva così tanto gas che, quando emergeva, si formavano delle bolle nel tubo, un fenomeno simile a quello che accade quando si apre una lattina nuova di soda.

"Eravamo tipo, porca miseria", ha detto Lang, ricordando la sua reazione e quella di Brazelton. "Ci sono state molte imprecazioni coinvolte."

Le acque sono piene zeppe di idrogeno, il combustibile necessario per alimentare le reazioni abiotiche.

Gli elementi costitutivi degli elementi costitutivi

A più di sei mesi dalla spedizione, il team sta ancora elaborando l’enorme numero di campioni, studiando la chimica dell’acqua, identificando i microbi, caratterizzando le rocce e altro ancora. "La gente farà un'intera zuppa alfabetica di analisi elementari su queste rocce", ha detto Andrew McCaig, un geologo dell'Università di Leeds che ha co-guidato la spedizione.

I modelli preliminari suggeriscono che le temperature vicino al fondo del pozzo potrebbero raggiungere anche i 122 gradi Celsius, il limite attualmente noto per la vita (sebbene alcuni studi suggeriscono che il limite potrebbe essere ancora più alto). Lang avverte che i modelli necessitano di conferma perché si basano su misurazioni effettuate quando le temperature del pozzo erano leggermente abbassate dalle acque fredde che circolavano durante la perforazione. Se le condizioni fossero confermate come così estreme, tuttavia, la profondità consentirebbe agli scienziati di studiare le reazioni chimiche che alimentano la vita senza la confusa influenza dei microbi.

Questo sarebbe un passo avanti significativo per gli scienziati che studiano le origini acquatiche della vita. “Oggi sulla Terra è davvero difficile osservare la chimica abiotica o prebiotica perché la vita domina; la vita è ovunque”, ha detto Laurie Barge, un astrobiologo del Jet Propulsion Laboratory della NASA che non faceva parte della spedizione.

Le prime analisi suggeriscono anche che il piccolo formiato di acido organico è presente nell'acqua del pozzo. Il formiato è uno dei composti più semplici che possono formarsi abioticamente, dalle reazioni tra anidride carbonica e idrogeno, e potrebbe segnare un primo passo verso i primi barlumi di vita sulla Terra primordiale.

“È la materia prima su cui costruire gli elementi costitutivi”, ha detto Lang. Le continue reazioni abiotiche con il formiato potrebbero produrre composti organici più grandi come gli amminoacidi, che possono essere legati insieme in molecole essenziali per la vita, come enzimi e altre proteine.

Ma gran parte del quadro chimico rimane confuso nel Massiccio di Atlantide. Il formiato in profondità nel pozzo potrebbe essersi formato senza l’aiuto microbico, come è avvenuto nel sottosuolo meno profondo nelle vicinanze, ma per esserne sicuri sono necessari ulteriori test. L’acqua contiene anche metano, un composto che alcuni scienziati ritengono vitale per i primi metabolici e che potrebbe essere generato abioticamente dalle reazioni con l’idrogeno. Ma il modo in cui si forma il metano a Lost City è un altro mistero: è “complicato e confuso”, ha detto Brazelton.

L’identificazione delle reazioni abiotiche in natura potrebbe ispirare futuri esperimenti di laboratorio che testano la chimica prebiotica, in cui i ricercatori possono modificare le condizioni per simulare più da vicino la Terra primordiale o altri mondi, ha spiegato Barge. "Lost City è un posto davvero speciale", ha detto.

A caccia di microbi

Anche se il pozzo profondo non è privo di vita, la quantità quasi senza precedenti di nuclei rocciosi recuperati aiuterà gli scienziati a collegare i cambiamenti nella chimica dell’acqua e nei tipi di roccia ai pochi microbi che potrebbero sopravvivere nel sottosuolo. Studiare come i microbi sopravvivono in mezzo alle scarse risorse del sottosuolo – magari mangiando idrogeno e altri composti formati abioticamente – potrebbe aiutare ad affinare la nostra immagine dei primi anni di vita.

Brazelton in particolare è alla ricerca degli enzimi specifici utilizzati dai microbi per trasformare l'idrogeno e piccoli composti organici in energia. "L'idea qui è che c'è chimica nelle rocce e, a un certo punto, quella chimica si trasforma in vita", ha detto Brazelton. Questi enzimi potrebbero essere proprio la manopola che aiuta i ricercatori a riavvolgere l’orologio evolutivo per decifrare come si sono formati i primi metabolici.

Altri sforzi si concentrano sull'incubazione di campioni prelevati dalla roccia e sul tentativo di catturare i microbi in profondità in azione, ha spiegato Fengping Wang, il geomicrobiologo che ha condotto questo lavoro presso l’Università Jiao Tong di Shanghai. Wang studia la vita nel sottosuolo da quasi due decenni, ma lei e altri ricercatori della biosfera profonda hanno ampiamente cercato i microbi nascosti nei sedimenti oceanici. "Sappiamo molto poco dei microbi delle rocce", ha detto. “È una delle ultime domande nella biosfera profonda: cosa c’è nelle rocce dure?”

In cerca di risposte, Wang ha polverizzato centinaia di carotaggi a bordo della nave, posizionandoli ciascuno in un tubo del reattore metallico o in una bottiglia di vetro. Ha arricchito i campioni con una varietà di cibi: un menu di degustazione microbica adatto a una varietà sconosciuta di diete. E poi ha incubato i campioni a temperature diverse per vedere cosa sarebbe cresciuto.

Nel complesso, ha organizzato quasi 800 incubazioni e ha posato per una foto con loro nel laboratorio di bordo "per mostrare il mio duro lavoro", ha detto con una risatina. Nella foto, ogni centimetro del tavolo di fronte a lei è pieno di bottiglie di vetro, che rappresentano solo una frazione del totale dei suoi campioni.

I risultati preliminari di Wang rivelano un eccesso di metano in alcuni campioni, ma non è ancora chiaro se il gas provenga da microbi che eruttano o da rocce che reagiscono.

Gli scienziati di molti campi attendono con impazienza le scoperte del team. "Avremo sicuramente una visione molto migliore di... quali sono i processi chimici reali che stanno avvenendo", ha detto Yoshinori Miyazaki, geofisico del California Institute of Technology.

L'eccitazione e il trionfo che circondano l'ultimo lavoro, tuttavia, sono venati anche di tristezza. Questa spedizione è una delle ultime per il Risoluzione JOIDES, che andrà in pensione alla fine del 2024 dopo quattro decenni di ricerca innovativa nelle acque oceaniche di tutto il mondo. Al momento non esiste un piano concreto per sostituire la nave, il che lascia un buco nella ricerca oceanica per gli scienziati statunitensi.

Nel corso del suo lungo mandato, le spedizioni a bordo del Risoluzione JOIDES hanno recuperato più di 350 chilometri di carote dal fondale marino. Nascosti in questo tesoro geologico ci sono molti segreti del passato del nostro pianeta: cambiamenti climatici, chimica degli oceani e forse altri indizi sulle origini della vita. Ma ancora più informazioni sono ancora rinchiuse nelle rocce del fondale marino, in attesa solo di essere scoperte.