Discovery forvandler forståelsen af ​​brintudtømning på havbunden

Opdagelsen i 1970'erne af hydrotermiske ventilationskanaler, hvor vulkaner på havbunden producerer varm væske over 350 grader Celsius, eller 662 grader Fahrenheit, fundamentalt ændret forståelsen af ​​Jorden og livet. Endnu, livet ved og under havbunden er stadig meget et mysterium i dag.

Det er vigtigt at få en bedre forståelse af disse vulkansk aktive områder, da kemien ved havbundens udluftninger påvirker havets kemi mere generelt. Ud over, havbundens unikke miljø understøtter biologiske og ikke-biologiske processer, der giver fingerpeg om, hvordan livet på Jorden først begyndte, hvordan det opretholdes over tid og potentialet for liv på andre planetariske legemer.

Ifølge geokemiker Jill McDermott, professor ved Institut for Jord- og Miljøvidenskab ved Lehigh University, tidligere undersøgelser af hydrotermiske udluftningsvæskers kemi har afsløret reduktioner i visse gasarter, såsom molekylært hydrogen. Disse udtømninger mentes at være forårsaget af mikrobiologiske samfund, der lever på den lave havbund, samlet kaldet subseafloor biosfæren.

Imidlertid, resultaterne af en ny undersøgelse af McDermott og kolleger modsiger denne antagelse. Forskerne analyserede gastætte hydrotermiske væskeprøver fra verdens dybeste kendte udluftningsfelt, Piccard hydrotermiske felt ved Mid-Cayman Rise, som er i en dybde på 4970 meter, eller omkring 16, 000 fod under havets overflade. De observerede kemiske skift i deres prøver, herunder et stort tab af molekylært hydrogen, som kun kan være resultatet af abiotiske (ikke-biologiske) og termogene (termisk nedbrydning) processer, fordi væsketemperaturerne var over grænserne, der understøtter livet, forstået at være 122 grader Celsius, eller omkring 250 grader Fahrenheit, eller lavere.

Resultaterne blev offentliggjort online i dag i en artikel "Abiotiske redoxreaktioner i hydrotermiske blandingszoner:nedsat energitilgængelighed for den underjordiske biosfære" i Proceedings of the National Academy of Sciences . Yderligere forfattere inkluderer:Christopher German, Seniorforsker i geologi og geofysik og Jeffrey Seewald, Seniorforsker i marin kemi og geokemi og Sean Sylva, forskningsassistent III, i marin kemi og geokemi fra Woods Hole Oceanographic Institution; og Shuhei Ono, lektor, Massachusetts Tekniske Institut.

"Vores undersøgelse finder, at disse skift i kemi er drevet af ikke-biologiske processer, der fjerner energi, før mikrobielle samfund får adgang til det, " siger McDermott. "Dette kan have kritiske konsekvenser for at begrænse, i hvilket omfang globale geokemiske kredsløb kan opretholde en dyb biosfære, og for det globale brintbudget."

Hun tilføjer "Dette betyder også, at den underjordiske biosfære sandsynligvis modtager mindre energi, end nogen tidligere havde indset. Den grad, i hvilken ikke-biologisk brintforbrug i havskorpen kan reducere påvirkningen af ​​liv, der bebor havbunden, er et godt mål for fremtidige undersøgelser. "

Ved hjælp af kemisk analyse af opløste gasser, uorganiske forbindelser, og organiske forbindelser, holdet fandt, at væskeprøverne ved lav temperatur stammede fra blanding mellem havvand og de nærliggende Beebe Vents sorte rygere, sådan navngivet, fordi væsken, der udstødes fra åbningerne, ligner sort røg fra en skorsten. I disse blandede væskeprøver, mange kemiske arter er enten høje eller lave i overflod, ifølge McDermott. Prøven med de største skift i mængden af ​​gas havde en havbundstemperatur på 149 grader Celsius, eller 300 grader Fahrenheit, en temperatur, der er for varm til at være vært for liv. Dermed, de konkluderede, den proces, der er ansvarlig for de geokemiske ændringer, kunne ikke direkte involvere liv.

De ikke-biologiske reaktioner, de identificerede som ansvarlige for disse kemiske skift, omfatter sulfatreduktion og termisk nedbrydning af biomasse, og understøttes af massebalanceovervejelser, stabile isotopmålinger, og kemiske energiberegninger.

Prøverne blev indsamlet under to forskningsekspeditioner med to fjernbetjente køretøjer, Jason II og Nereus, både designet til dybvandsudforskning og til at udføre en bred vifte af videnskabelige undersøgelser i verdenshavene.

"Dette var et virkelig spændende feltprogram, der gav os en sjælden mulighed for at udforske det komplekse samspil mellem kemien i et naturligt miljø og det liv, det understøtter, " sagde Seewald. "Vi er nu i en meget bedre position til at vurdere mængden af ​​mikrobielt liv, der kan eksistere under havbunden."

Opdaget i 2010, Piccard Hydrothermal Field ligger lige syd for Grand Cayman i Caribien. Væskeprøverne, som forskerne undersøgte, ventilerede ved 44 til 149 grader Celsius (111 til 300 grader Fahrenheit), giver en sjælden mulighed for holdet til at studere overgangen mellem livbærende og ikke-livsstøttende miljøer.

"Det fede (varme) ved denne undersøgelse er, at vi var i stand til at finde et sæt ventilationsåbninger, der spændte fra det sted, hvor det var for varmt til livet, hvor det var det rigtige, " siger German. "Det særligt søde sæt omstændigheder åbnede muligheden for at få ny indsigt i, hvad livet måske (og måske ikke) kunne gøre, nede under havbunden."

Forskydninger i hydrotermisk udluftningsvæskes temperatur og kemiske sammensætning er kendt for at tjene som en vigtig kontrol på mikrobielle samfunds struktur og funktion i havskorpen i hele verdenshavene.

"Dette forhold eksisterer, fordi hydrotermiske væsker giver energi til specifikke mikrobielle metaboliske reaktioner, " siger McDermott. "Men, det omvendte spørgsmål om, hvorvidt udluftningsvæskekemi er modificeret af livet selv, eller i stedet ved ikke-levende processer, er en vigtig ting, der sjældent bliver behandlet."

Holdets opdagelse kan tjene til at åbne op for en ny udforskningsvej mod at vurdere, om ikke-biologiske processer tjener som vigtige kontroller af energitilgængeligheden, ud over mikrobielle processer.