Simulering af tidlige havåbninger viser, at livets byggesten dannes under pres

Hvor blev livet først dannet på Jorden? Nogle forskere mener, at det kunne have været omkring hydrotermiske åbninger, der kan have eksisteret på bunden af ​​havet for 4,5 milliarder år siden. I et nyt papir i bladet Astrobiologi , forskere ved NASAs Jet Propulsion Laboratory beskriver, hvordan de efterlignede mulige ældgamle undersøiske miljøer med en kompleks eksperimentel opsætning. De viste, at under ekstremt pres, væske fra disse gamle havbundsrevner blandet med havvand kunne have reageret med mineraler fra de hydrotermiske åbninger for at producere organiske molekyler - byggestenene, der udgør næsten alt liv på Jorden.

I særdeleshed, forskningen lægger et vigtigt grundlag for dybdegående studier af sådanne havverdener som Saturns måne Enceladus og Jupiters måne Europa, som begge menes at have flydende vand-hav begravet under tykke iskolde skorper og kan være vært for hydrotermisk aktivitet svarende til det, der simuleres ved JPL. Dette forskningsområde tilhører et studieområde kendt som astrobiologi, og arbejdet blev udført af JPL Icy Worlds-teamet som en del af det tidligere NASA Astrobiology Institute.

Under det gamle hav

For at simulere forhold, der kunne have eksisteret på havbunden af ​​en nydannet jord, før havet vrimlede med liv, daværende kandidatstuderende Lauren White og kolleger udførte et eksperiment, der samlede tre nøgleingredienser:brintrigt vand, som den slags, der kunne være strømmet ud fra under havbunden gennem åbninger; havvand beriget med kuldioxid, som det ville have været fra den gamle atmosfære; og nogle få mineraler, der kunne være dannet i det miljø.

White og kolleger – inklusive hendes kandidatrådgiver, pensioneret JPL videnskabsmand Michael Russell - simulerede ventilationsåbninger, der ikke spyede særligt varmt vand (det var kun omkring 212 Fahrenheit, eller 100 grader Celsius). En stor udfordring med at skabe den eksperimentelle opsætning var at opretholde det samme tryk fundet 0,6 miles (1 kilometer) under havoverfladen - omkring 100 gange lufttrykket ved havoverfladen. Tidligere eksperimenter har testet lignende kemiske reaktioner i individuelle højtrykskamre, men White og hendes kolleger ønskede at kopiere de fysiske egenskaber af disse miljøer mere fuldstændigt, inklusive måden væskerne flyder og blandes sammen på. Dette ville kræve at opretholde det høje tryk i flere kamre, hvilket øgede projektets kompleksitet. (Fordi en revne eller lækage i selv et enkelt højtrykskammer udgør en trussel om en eksplosion, det er standard betjeningsprocedure i sådanne tilfælde at installere et eksplosionsskjold mellem apparatet og videnskabsmændene.)

Forskerne ønskede at afgøre, om sådanne ældgamle forhold kunne have produceret organiske molekyler - dem, der indeholder kulstofatomer i sløjfer eller kæder, såvel som med andre atomer, oftest brint. Eksempler på komplekse organiske molekyler omfatter aminosyrer, som til sidst kan danne DNA og RNA.

Men ligesom æg, mel, smør og sukker er ikke det samme som en kage, tilstedeværelsen af ​​både kulstof og brint i de tidlige oceaner garanterer ikke dannelsen af ​​organiske molekyler. Mens et kulstof- og et brintatom med rimelighed kan støde ind i hinanden i dette forhistoriske hav, de ville ikke automatisk gå sammen for at danne en organisk forbindelse. Den proces kræver energi, og ligesom en bold ikke vil rulle op ad en bakke af sig selv, kulstof og brint vil ikke binde sammen uden et energisk skub.

En tidligere undersøgelse af White og hendes kolleger viste, at vand, der pulserede gennem hydrotermiske åbninger, kunne have dannet jernsulfider. Ved at fungere som katalysator, jernsulfider kunne give det energiske skub, sænke mængden af ​​energi, der kræves for at kulstof og brint kan reagere sammen, og øger sandsynligheden for, at de ville danne organiske stoffer.

Det nye eksperiment testede, om denne reaktion sandsynligvis ville have fundet sted under de fysiske forhold omkring gamle havbundsåbninger, hvis sådanne udluftninger eksisterede på det tidspunkt. Svaret? Ja. Holdet skabte format og spormængder af metan, begge organiske molekyler.

Tegn på liv

Naturligt forekommende metan på Jorden produceres hovedsageligt af levende organismer eller gennem nedbrydning af biologisk materiale, herunder planter og dyr. Kan metan på andre planeter også være et tegn på biologisk aktivitet? At bruge metan til at søge efter liv på andre verdener, videnskabsmænd skal forstå både dets biologiske og ikke-biologiske kilder, som den, der blev identificeret af White og hendes kolleger.

"Jeg synes, det er virkelig vigtigt, at vi viste, at disse reaktioner finder sted i nærvær af de fysiske faktorer, ligesom trykket og flowet, " sagde White. "Vi er stadig langt fra at demonstrere, at liv kunne have dannet sig i disse miljøer. Men hvis nogen nogensinde ønsker at gøre den sag, Jeg tror, ​​vi skal have demonstreret gennemførligheden af ​​hvert trin i processen; vi kan ikke tage noget for givet."

Værket bygger på Michael Russells hypotese om, at liv på Jorden kan være dannet på bunden af ​​Jordens tidlige hav. Dannelsen af ​​organiske molekyler ville være et vigtigt skridt i denne proces. Forskere i den samme JPL-forskningsgruppe har udforsket andre aspekter af dette arbejde, som at kopiere de kemiske forhold i det tidlige hav for at demonstrere, hvordan aminosyrer kan dannes der. Imidlertid, den nye undersøgelse er unik i den måde, den genskabte de fysiske forhold i disse miljøer.

I de næste par år, NASA vil lancere Europa Clipper, som vil kredse om Jupiter og udføre flere forbiflyvninger af den iskolde måne Europa. Forskere mener, at der kan spytte vand ud i rummet fra månens hav, som ligger under omkring to til 20 miles (tre til 30 kilometer) is. Disse faner kunne give information om mulige hydrotermiske processer på bunden af ​​havet, menes at være omkring 50 miles (80 kilometer) dyb. Det nye papir bidrager til en voksende forståelse af den kemi, der kan finde sted i andre oceaner end vores eget, som vil hjælpe videnskabsmænd med at fortolke resultaterne af den mission og andre kommende.