Symulując w warunkach laboratoryjnych skaliste kominy „wentylacyjne” typowe dla dna morskiego, naukowcy zdobyli prawdopodobnie nowe dowody na to, że właśnie te otwory mogły zapewnić składniki niezbędne do pojawienia się prostych form życia na dawnej Ziemi.
Gdzie naprawdę powstało życie na Ziemi? Niektórzy naukowcy sądzą, że pierwsze jego przejawy formowały się wokół otworów hydrotermalnych, które mogły istnieć w dnie oceanicznym już 4,5 miliarda lat temu. W artykule opublikowanym w czasopiśmie „Astrobiology” naukowcy z NASA Jet Propulsion Laboratory opisują, w jaki sposób zdołali odtworzyć te prehistoryczne podwodne środowiska. Wykazali przy tym, że przy ekstremalnie wysokich ciśnieniu płyn wydostający się z tych dawnych pęknięć dna morskiego i następnie mieszający się z wodą oceaniczną mógł reagować z minerałami pochodzącymi z hydrotermalnych otworów wentylacyjnych, tworząc ostatecznie złożone cząsteczki organiczne – pierwiastki, które składają się na prawie całe życie na Ziemi.
Wyniki te stanowią podstawę do przeprowadzenia w przyszłości dogłębnych badań takich pokrytych oceanami globów w naszym Układzie Słonecznym, jak na przykład księżyc Saturna – Enceladus, czy księżyc Jowisza – Europa. Naukowcy sądzą, że mają one na powierzchni oceany ciekłej wody skryte pod grubymi lodowymi skorupami. Obszary te mogą wykazywać aktywność hydrotermalną podobną do tej, jaką badano i symulowano w ramach nowych badań NASA JPL. Ten obszar badań należy do większej dziedziny wiedzy z pogranicza astronomii i biologii, znanej jako astrobiologia.
Aby zasymulować warunki, jakie mogły istnieć na dnach oceanicznych nowo powstałej Ziemi, nim jeszcze wody na niej zaczęły obfitować w życie, doktorantka Lauren White i jej współpracownicy przeprowadzili eksperyment z udziałem trzech kluczowych składników: wody bogatej w wodór (takiej jak ta, która mogła wypływać spod dna morskiego przez otwory „wentylacyjne”), wody morskiej wzbogaconej w dwutlenek węgla (takiej, jaka zawarta była w starożytnej atmosferze Ziemi) oraz kilku minerałów, jakie mogłyby powstać w tym środowisku.
Zespół symulował fizykę otworów wentylacyjnych, które nie wyrzucały szczególnie gorącej wody (miałaby ona temperaturę tylko około stu stopni Celsjusza). Jednym z głównych wyzwań związanych z utworzeniem układu eksperymentalnego było utrzymanie w nim takiego ciśnienia, jakie występuje na głębokości około kilometra pod powierzchnią oceanu – czyli około stu razy większego niż ciśnienie atmosfery ziemskiej na poziomie morza. Wcześniejsze eksperymenty testowały już co prawda podobne reakcje chemiczne w poszczególnych komorach wysokociśnieniowych, ale White i jej zespół chcieli jeszcze pełniej odtworzyć właściwości fizyczne tych środowisk, w tym sposób przepływu i mieszania się płynów. Wymagało to utrzymania wysokiego ciśnienia w wielu komorach naraz, co zwiększyło złożoność całego projektu. A z uwagi na to, że pęknięcie lub wyciek nawet w jednej komorze wysokociśnieniowej grozi wybuchem, w takich przypadkach standardową procedurą jest zainstalowanie osłony przeciwwybuchowej pomiędzy aparaturą a naukowcami.
Naukowcy chcieli w szczególności ustalić, czy w takich warunki mogły wytworzyć się cząsteczki organiczne – te zawierające atomy węgla ułożone w pętlach lub łańcuchach, a także te z innymi atomami, na przykład wodoru. Przykładem złożonych cząsteczek organicznych są aminokwasy, które mogą ostatecznie tworzyć bardziej złożone i niezbędne do życia w znanej nam formie łańcuchy DNA i RNA. Ale podobnie jak jajka, mąka, masło i cukier to nie to samo, co gotowe ciasto, tak samo obecność węgla i wodoru we wczesnych oceanach nie gwarantuje jeszcze powstawania tam cząsteczek organicznych. I choć statystyczny atom węgla i wodoru mogły bez problemu zderzać się ze sobą w takim prehistorycznym oceanie, nie oznacza to, że faktycznie łączyłyby się tam ze sobą na stałe automatycznie, tworząc gotowy związek organiczny. Ten proces wymaga energii – węgiel i wodór nie zwiążą się bez jej określonej dawki z zewnątrz.
Poprzednie badanie przeprowadzone przez White i jej współpracowników wykazały, że woda wydostająca się przez otwory hydrotermalne mogła wytworzyć siarczki żelaza. Działając jako katalizator, siarczki żelaza mogą zapewnić właśnie to dodatkowe źródło energii, zmniejszając niezbędną ilość energii wymaganej do połączenia się ze sobą atomów węgla i wodoru, i zwiększając prawdopodobieństwo, że utworzą się tam złożone substancje organiczne.
W nowym eksperymencie sprawdzono, czy reakcja ta z dużym prawdopodobieństwem mogła wystąpić w warunkach fizycznych panujących wokół starożytnych otworów dna morskiego, gdyby takie otwory faktycznie istniały w tym czasie. Okazuje się, że tak. Zespół zdołał odtworzyć w tych warunkach na razie dwie cząsteczki organiczne –mrówczan i śladowe ilości metanu.
Metan, który występuje naturalnie na Ziemi, jest wytwarzany głównie przez organizmy żywe i poprzez rozkład materiału biologicznego, w tym roślin i zwierząt. Czy zatem metan występujący na innych planetach może być również oznaką aktywności biologicznej? Aby wykorzystać ten związek chemiczny do poszukiwania życia na innych światach, naukowcy muszą jednak najpierw zrozumieć i poznać zarówno jego biologiczne, jak i niebiologiczne źródła, takie jak to zidentyfikowane właśnie przez zespół White.
Nadal jesteśmy daleko od wykazania, że w tych środowiskach mogło powstać życie. Ale jeśli ktokolwiek zechce to zrobić, myślę, że musimy najpierw wykazać wykonalność każdego etapu tego procesu; nie możemy brać niczego za pewnik – dodaje Lauren White.
Omawiana praca opiera się na hipotezie Michaela Russella, zgodnie z którą życie na Ziemi mogło powstać na dnie wczesnego praoceanu. Tworzenie się cząsteczek organicznych byłoby ważnym krokiem w tym procesie. Naukowcy z tej samej grupy badawczej JPL odtworzyli niedawno warunki chemiczne panujące we wczesnym oceanie, aby zademonstrować, w jaki sposób mogą się tam tworzyć aminokwasy. Nowe badania White są jednak o tyle wyjątkowe, że udało się w nich odtworzyć dość dokładne warunki fizyczne tych środowisk.
W ciągu najbliższych lat NASA planuje uruchomienie misji Europa Clipper, w ramach której zbadana dokładnie ma być m.in. właśnie lodowata Europa. Naukowcy uważają, że obserwowane na tym satelicie pióropusze mogą wyrzucać w kosmos wodę pochodzącą z „podziemnego” oceanu księżycowego, który leży pod grubą na około 3 do 30 kilometrów warstwą lodu tego księżyca Jowisza. Pióropusze te mogą nam dostarczyć informacji o możliwych procesach hydrotermalnych zachodzących na dnie tego oceanu. Omawiana praca przyczyni się do lepszego zrozumienia reakcji chemicznych zachodzących w oceanach innych niż ziemskie, co może pomóc w zinterpretowaniu wyników tej i innych podobnych misji.
Czytaj więcej:
- Cały artykuł
- Oryginalna publikacja naukowa: Simulating Serpentinization as It Could Apply to the Emergence of Life Using the JPL Hydrothermal Reactor, Lauren M. White et al., 2020, Astrobiology
- Strona zespołu JPL Icy Worlds
Źródło: NASA
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na zdjęciu: Odpowietrznik dna morskiego zwany „białym palaczem” wyrzuca bogatą w minerały wodę do oceanu i służy jako centrum energetyczne dla żywych stworzeń. Niektórzy naukowcy sądzą, że życie na Ziemi mogło rozpocząć się przed miliardami lat wokół podobnych otworów w dnach oceanicznych. Źródło: NOAA/C. Niemiecki (WHOI)
