Dypt under jordens overflate, ledetråder til livets opprinnelse | Quanta Magazine

Nær midnatt den 26. mars 1961 la mørkt vann seg mot skroget til en ombygd marinelekter mens den gynget i Stillehavet. Skipet hadde nettopp ankommet dette stedet, rundt 240 kilometer utenfor Baja-halvøya, etter tre dager med kamper i havet så grovt at mannskapet hadde surret utstyr til dekket med tunge lenker, «som en useriøs elefant», forfatteren John Steinbeck, som var ombord på fartøyet, senere skrev for Life magazine.

Tilbake på land gikk det rykter om mannskapets mål. Noen spekulerte i at de jaktet på diamanter eller sunkne skatter. Andre mistenkte at de letet etter et sted å oppbevare en missil på havbunnen. Men lagets mål var enda høyere enn de villeste høresangene. Planen – klekket ut over en alkoholfylt frokost i La Jolla-hjemmet til geologen Walter Munk – var å bore et hull så dypt at det ville slå gjennom jordskorpen og nå planetens mantel, et varmt, steinete lag klemt mellom jordskorpen og dens kjerne.

Nå, mer enn 62 år etter innsatsen kjent som Project Mohole, har forskerne ennå ikke lykkes med å bore gjennom en intakt del av jordskorpen. Men denne våren var et team ombord på det flere tiår gamle boreskipet JOIDES Oppløsning oppnådde det nest beste: De hentet en haug med mantelbergarter fra et område av den atlantiske havbunnen hvor skorpen er spesielt tynn. Området er på toppen av et undersjøisk fjell kjent som Atlantis-massivet, der de langsomme skiftingene av tektoniske plater har skjøvet blokker av mantelsteiner nærmere overflaten.

Mens mantelen utgjør hoveddelen av planeten vår, er bergartene dens vanligvis begravd kilometer under overflaten, noe som gjør ferske prøver vanskelige å hente. Men mantelbergarter som de som ble gravd ut i fjor vår kan gi ledetråder til jordens dype virkemåte og hjelpe forskere bedre å forstå den tektoniske koreografien som er grunnleggende for vår verden.

De nylig innsamlede steinene kan også ha ledetråder til et annet definerende trekk ved planeten vår - livet.

Når sjøvann møter mantelstein, genererer en rekke kjemiske reaksjoner en cocktail som kan skape de organiske forbindelsene som trengs for å tenne livets første gnister. Forskere har allerede funnet hint av små organiske molekyler skapt uten mikrobiell hjelp ved Lost City hydrotermiske ventilasjonsanlegg, en vidstrakt geologisk metropol på toppen av Atlantis Massif. Noen forskere har lenge spekulert i at slike miljøer kunne ha inkubert planetens tidligste livsformer. Nå har lagets nylig borede hull, som boret mer enn en kilometer under havbunnen, nådd inn i det som ser ut til å være det bankende hjertet i dette hydrotermiske systemet.

"Det åpner en verden av muligheter for oss," sa Susan Lang, en biogeokjemiker ved Woods Hole Oceanographic Institution som ledet ekspedisjonen.

Allerede er det antydninger om at høye konsentrasjoner av hydrogengass i borehullsvannet kan være tilgjengelig for å drive organisk syntese. Dette naturlige laboratoriet lover å hjelpe teamet med å løse opprinnelsen til den livgivende lapskausen som sildrer opp gjennom Lost Citys tårn, slik at de kan studere den organiske kjemien i en verden uten organismer - kjemien til livet før livet eksisterte, eller da livet var ekstremt knappe. De få mikrobene som overlever de ekstreme undergrunnsforholdene kan også gi ledetråder til hvordan de tidligste vesenene tjente til livets opphold, og til slutt hjelpe forskere med å tyde de sentrale trinnene som gjorde kjemiske forbindelser til skapninger.

Bygge en tapt by

Lang husker fortsatt dagen, for omtrent to tiår siden, da hun ble tilbudt en køyeplass på fartøyet som utførte den første detaljerte studien av Lost City-ventilene. Tårer av begeistring flommet over øynene hennes. "Jeg sa ja uten å sjekke med noen," sa Lang, som var hovedfagsstudent ved University of Washington på den tiden.

Hennes glød gjenspeilte den revolusjonerende naturen til Lost City, hvis skinnende, gjennomskinnelige søyler med varmt vann først ble oppdaget av forskere ombord på forskningsfartøyet Atlantis i 2000. På den tiden var alle de andre kjente hydrotermiske ventilsystemene mørke, med skorsteiner svertet av vulkanske sulfider som pumpet tykke, røykfylte fløyer av brennende væsker ut i havet. Men spirene til Lost City var spøkelsesaktige hvite.

Som forskerne snart lærte, stammer lysfargen fra reaksjoner mellom sjøvann og steinen gjemt i Atlantis Massif. Litt høyere enn Mount Rainier, er dette undersjøiske fjellet i stor grad laget av peridotitt, en steintype som dominerer den øvre mantelen. Fjellet dannet seg fra de rolige forskyvningene til den nærliggende midt-atlantiske ryggen, der de nordamerikanske og afrikanske tektoniske platene sakte trekker seg fra hverandre. Denne bevegelsen fjernet den øvre skorpen fra den stigende toppen, og avslører skår av peridotittkjernen.

Peridotitt henger normalt under milevis med skorpe. Det er ustabilt så nær jordoverflaten, hvor sjøvann kan krype inn i sprekker i steinene. Når det skjer, reagerer et mineral kalt olivin som dominerer peridotitten lett med vannmolekyler, og utløser en rekke kjemiske trinn kalt serpentinisering. Prosessen gjør vannet svært alkalisk, så når væsker fra sprekken blander seg med fersk sjøvann, faller bleke mineraler ut og bygger Lost Citys fantastiske spir, som står så høye som en 20-etasjers bygning.

Men et annet biprodukt av serpentinisering, hydrogen, har trukket Lang og andre forskere til stedet i flere tiår. Under de rette forholdene kan hydrogengass gi drivstoff til enkle kjemiske reaksjoner, som å gjøre karbondioksid og vann til små organiske forbindelser, uten mikrobiell hjelp (eller abiotisk). Fortsatte reaksjoner kan skape større og mer komplekse organiske molekyler, kanskje håndverk akkurat den rette blandingen av ingredienser - sukker, fett, aminosyrer - for å koke opp de tidligste livsformene. Dessuten kan hydrogen og små organiske stoffer også ha gitt mat til jordens tidligste innbyggere. "Hydrogen er som nøkkelen til alt," sa Lang.

Denne gassen var sannsynligvis mer vanlig på den tidlige jorden, da mineralsammensetningen på overflaten var forskjellig fra den i dag, noe som gjorde serpentiniseringsreaksjoner mer vanlig.

Hos Atlantis Massif ønsker Lang og hennes kolleger å vite hvilke organiske forbindelser som kan dannes uten mikrobiell hjelp, og hvilke mikrober som kan overleve på denne uvanlige underjordiske buffeen. Resultatene kan gi ledetråder om hvordan de tidligste livsformene levde, så vel som kjemien som gikk foran de eldgamle mikrobene.

Men i dag florerer det liv på jordens overflate, både over og under vann, noe som gjør det vanskelig å identifisere forbindelser som ble laget uten biologiens hjelp. Det gjelder spesielt i Lost City. "Du kan bare se snørrete biofilmer vokse over alle skorsteinene," sa William Brazelton, en mikrobiolog ved University of Utah og en JOIDES teammedlem.

Så forskerne retter blikket mot rikene under havbunnen, der mikrober er sparsomme og oksygen er knappe, noe som skaper forhold som ligner på de tidlige jorda. Som Brazelton sa, "Vi må bokstavelig talt gå dypere."

Finne et naturlig laboratorium

På 1960-tallet markerte Project Mohole starten på innsatsen for å lodde de uutforskede dypet av planeten vår i en tid med "heroisk vitenskap", sa Damon Teagle, en geokjemiker ved University of Southampton og en veteran fra mange vitenskapelige havboreekspedisjoner.

Navnet var et skuespill på Mohorovičić-diskontinuiteten, eller Moho, som definerer grensen mellom skorpen og mantelen. Under kontinenter kan Moho finnes mer enn 30 kilometer dypt; under havbunnen er det nærmere 7 kilometer. På grunn av dette velger lag som retter seg mot mantelen vanligvis å bore fra skip.

Project Mohole kom ikke engang i nærheten av målet sitt, bare kjedelig gjennom 179 meter med sedimenter og kun 4 meter med havbunnsstein. Likevel avslørte selv denne innsatsen et vell av informasjon om planeten vår, inkludert det faktum at de skjulte seg under havbunnsedimenter var relativt unge vulkanske bergarter - et funn som senere skulle tjene som et viktig bevis i saken for platetektonikk. Den produserte også teknologier som utviklet seg til systemforskere som fortsatt bruker, inkludert noen om bord JOIDES Oppløsning denne våren.

Selv i dag er dyphavsboring enormt utfordrende. For det første sliter borekroner raskt ut ved å bore gjennom hardt fjell, noe som tvinger regelmessige borkronebytter og behovet for å gå inn i det samme lille borehullet igjen fra et skip gupp på toppen av hundrevis eller tusenvis av meter med vann, som er som å slippe en nål ned i et nålhull. For å gjøre vondt verre, hadde forrige vårs ekspedisjon en uheldig start. Mens teamet boret sitt første pilothull, satte borekronen deres seg fast, og for å forhindre at skipet for alltid ble ankret til Atlantis Massif, brøt mannskapet forbindelsen med en dynamitteksplosjon. Deretter brøt en del av systemet som tillot boret å komme inn i et borehull flere ganger i stykker.

Med litt kreativitet kom de endelig til å bore på et sted nå kjent som U1601C, som ligger under nesten 850 meter vann. Og det var da lykken deres endret seg.

På de fleste havbunnsboreekspedisjoner er fremgangen sakte, med steinete kjerner trukket på dekk hver tredje time eller så. Men en gang JOIDES teamet kom i gang, de hev ferske kjerner om bord nesten hver time. Forskere som behandlet kjernene kunne knapt følge med, og før de visste ordet av det, hadde borekronen truffet mantelsteiner.

Før denne ekspedisjonen var det lengste noen noen gang hadde boret inn i endrede mantelbergarter 200 meter. Men JOIDES teamet tilbakela den distansen på bare noen få dager, og til slutt ble det kjedelig 1,267.8 meter av for det meste peridotitt. "Det var bare bemerkelsesverdig," sa Teagle, som ikke var en del av den nylige virksomheten.

For Lang lå en av de største overraskelsene gjemt langt inne i borehullet. Etter å ha fjernet sin siste kjerne, spylt mannskapet det tomme hullet med rent vann og lot naturlige væsker og gasser krype tilbake i over 72 timer. Deretter samlet de opp borehullsvannet på forskjellige dyp og delte det opp for mer enn et dusin kjemiske tester, inkludert en hydrogengassanalyse.

På det meste forventet Lang å finne spormengder av hydrogen så langt under jorden. Men den dypeste vannprøven inneholdt så mye gass at da den dukket opp, ble det dannet bobler i røret, et fenomen som ligner på det som skjer når du åpner en fersk boks med brus.

"Vi var som, hellige dritt," sa Lang, og husket sin egen reaksjon og Brazeltons. "Det var mye banning involvert."

Vannet er stappfullt av hydrogen, drivstoffet som trengs for å drive abiotiske reaksjoner.

Byggeklossene til byggeklosser

Mer enn seks måneder etter ekspedisjonen behandler teamet fortsatt sitt enorme antall prøver - studerer vannkjemien, identifiserer mikrober, karakteriserer steinene og mer. "Folk kommer til å gjøre en hel alfabetsuppe av elementære analyser på disse steinene," sa Andrew McCaig, en geolog ved University of Leeds som ledet ekspedisjonen.

Foreløpige modeller antyder at temperaturer nær bunnen av borehullet til og med kan nå 122 grader Celsius, den for tiden kjente grensen for liv (skjønt noen studier tyder på at grensen kan sitte enda høyere). Lang advarer om at modellene krever bekreftelse fordi de er basert på målinger tatt da borehullstemperaturene ble litt undertrykt av det kjølige vannet som sirkulerte under boring. Hvis forholdene blir bekreftet å være så ekstreme, vil dybden imidlertid tillate forskere å studere livsdrivende kjemiske reaksjoner uten den forvirrende påvirkningen fra mikrober.

Dette ville være et betydelig skritt fremover for forskere som studerer livets vannaktige opprinnelse. «På jorden i dag er det virkelig vanskelig å være vitne til abiotisk eller prebiotisk kjemi fordi livet dominerer; livet er overalt," sa Laurie Barge, en astrobiolog ved NASAs Jet Propulsion Laboratory som ikke var en del av ekspedisjonen.

Tidlige analyser tyder også på at det lille organiske syreformiatet finnes i borehullsvannet. Formiat er en av de enkleste forbindelsene som kan dannes abiotisk, fra reaksjoner mellom karbondioksid og hydrogen, og det kan markere et første skritt mot de første glimtene av liv på tidlig jord.

"Det er råmaterialet for å bygge byggeklossene," sa Lang. Fortsatte abiotiske reaksjoner med formiat kan produsere større organiske forbindelser som aminosyrer, som kan tres sammen til molekyler som er essensielle for livet, som enzymer og andre proteiner.

Men mye av det kjemiske bildet forblir uklart ved Atlantis Massif. Formiatet dypt inne i borehullet kan ha dannet seg uten mikrobiell hjelp, slik det har gjort i den grunnere undergrunnen i nærheten, men mer testing er nødvendig for å være sikker. Vannet inneholder også metan, en forbindelse som noen forskere tror var avgjørende for tidlig metabolisme og en som kan genereres abiotisk fra reaksjoner med hydrogen. Men hvordan metan dannes i Lost City er et annet mysterium - det er "komplisert og forvirrende," sa Brazelton.

Å identifisere abiotiske reaksjoner i naturen kan informere fremtidige laboratorieeksperimenter som tester prebiotisk kjemi, der forskere kan justere forholdene for å simulere tidlig jord eller andre verdener nærmere, forklarte Barge. "Lost City er et veldig spesielt sted," sa hun.

Jakt på mikrober

Selv om det dype borehullet ikke er blottet for liv, vil den nesten enestående mengden av gjenvunne steinete kjerner hjelpe forskere å knytte endringer i vannkjemi og bergarter til de få mikrobene som kan ta ut en levende underjordisk. Å studere hvordan mikrober overlever blant knappe undergrunnsressurser - kanskje ved å spise hydrogen og andre abiotisk dannede forbindelser - kan bidra til å skjerpe bildet vårt av tidlig liv.

Spesielt Brazelton er på jakt etter de spesifikke enzymene mikrober bruker for å gjøre hydrogen og små organiske forbindelser om til energi. "Hele ideen her er at du har kjemi på gang i bergarter, og på et tidspunkt blir den kjemien til liv," sa Brazelton. Disse enzymene kan bare være knappen som hjelper forskere å spole tilbake den evolusjonære klokken for å tyde hvordan de tidligste metabolismene ble til.

Annen innsats er fokusert på å inkubere prøver fra fjellet og prøve å fange dype mikrober i aksjon, forklarte Fengping Wang, geomikrobiologen som leder dette arbeidet ved Shanghai Jiao Tong University. Wang har studert livet i undergrunnen i nesten to tiår, men hun og andre dypbiosfæreforskere har i stor grad søkt etter mikrober som gjemmer seg i havsedimenter. "Vi vet veldig lite om bergmikrobene," sa hun. "Det er et av de siste spørsmålene i den dype biosfæren: Hva er i de harde steinene?"

På jakt etter svar pulveriserte Wang hundrevis av kjerneprøver ombord på skipet, og plasserte hver av dem i et metallreaktorrør eller en glassflaske. Hun tilsatte prøvene med en rekke matvarer - en mikrobiell smaksmeny egnet for et ukjent mangfold av dietter. Og så inkuberte hun prøvene ved forskjellige temperaturer for å se hva som ville vokse.

Totalt sett satte hun opp nesten 800 inkubasjoner og poserte for et bilde med dem i laboratoriet ombord "for å vise det harde arbeidet mitt," sa hun med en latter. På bildet er hver tomme av bordet foran henne fullpakket med glassflasker, som bare er en brøkdel av de totale prøvene hennes.

Wangs foreløpige resultater avslører et overskudd av metan i noen prøver, men om gassen kommer fra rapende mikrober eller reagerende bergarter er ennå ikke klart.

Forskere på tvers av mange felt venter spent på teamets funn. "Vi kommer definitivt til å ha en mye bedre oversikt over ... hvilke faktiske kjemiske prosesser som finner sted," sa Yoshinori Miyazaki, en geofysiker ved California Institute of Technology.

Spenningen og triumfen rundt det siste verket er imidlertid også preget av tristhet. Denne ekspedisjonen er en av de siste for JOIDES Oppløsning, som går av med pensjon ved utgangen av 2024 etter fire tiår med banebrytende forskning i havvann rundt om i verden. Det er foreløpig ingen konkret plan for å erstatte skipet, som etterlater et gapende hull i havforskningen for amerikanske forskere.

I løpet av sin lange periode har ekspedisjoner om bord på JOIDES Oppløsning har gjenvunnet mer enn 350 kilometer med kjerner fra havbunnen. Skjult i denne geologiske trove er mange hemmeligheter fra planetens fortid - endringer i klima, havkjemi og kanskje andre ledetråder til livets opprinnelse. Men enda mer informasjon er fortsatt låst i steinene på havbunnen, som bare venter på å bli avdekket.