Waar ontstond het leven op aarde? Sommige wetenschappers denken dat het rond hydrothermale bronnen zou kunnen zijn die 4,5 miljard jaar geleden op de bodem van de oceaan hebben bestaan. In een nieuw artikel in het tijdschrift Astrobiologie , wetenschappers van NASA's Jet Propulsion Laboratory beschrijven hoe ze mogelijke oude onderzeese omgevingen nabootsten met een complexe experimentele opstelling. Ze toonden aan dat onder extreme druk, vloeistof uit deze oude zeebodemscheuren vermengd met oceaanwater zou kunnen hebben gereageerd met mineralen uit de hydrothermale ventilatieopeningen om organische moleculen te produceren - de bouwstenen waaruit bijna al het leven op aarde bestaat.

Vooral, het onderzoek legt een belangrijke basis voor diepgaande studies van oceaanwerelden als Saturnusmaan Enceladus en Jupiters maan Europa, waarvan wordt aangenomen dat beide oceanen met vloeibaar water begraven zijn onder dikke ijzige korsten en mogelijk hydrothermische activiteit herbergen die vergelijkbaar is met wat wordt gesimuleerd bij JPL. Dit onderzoeksgebied behoort tot een vakgebied dat bekend staat als astrobiologie, en het werk werd gedaan door het JPL Icy Worlds-team als onderdeel van het voormalige NASA Astrobiology Institute.

Onder de oude zee

Om omstandigheden te simuleren die mogelijk hebben bestaan ​​op de oceaanbodem van een nieuw gevormde aarde, voordat de zee wemelde van het leven, toenmalig afgestudeerde student Lauren White en collega's voerden een experiment uit dat drie belangrijke ingrediënten samenbracht:waterstofrijk water, zoals het soort dat door ventilatieopeningen onder de zeebodem uit had kunnen stromen; zeewater verrijkt met kooldioxide, zoals het zou zijn geweest van de oude atmosfeer; en een paar mineralen die zich in die omgeving zouden kunnen hebben gevormd.

White en collega's, waaronder haar afstudeeradviseur, gepensioneerde JPL-wetenschapper Michael Russell-simuleerde ventilatieopeningen die niet bijzonder heet water spuwden (het was slechts ongeveer 212 Fahrenheit, of 100 graden Celsius). Een grote uitdaging bij het maken van de experimentele opstelling was het handhaven van dezelfde druk die 1 kilometer onder het oceaanoppervlak werd gevonden - ongeveer 100 keer de luchtdruk op zeeniveau. Eerdere experimenten hebben vergelijkbare chemische reacties getest in individuele hogedrukkamers, maar White en haar collega's wilden de fysieke eigenschappen van deze omgevingen vollediger nabootsen, inclusief de manier waarop de vloeistoffen stromen en met elkaar vermengen. Hiervoor zou de hoge druk in meerdere kamers moeten worden gehandhaafd, wat de complexiteit van het project vergroot. (Omdat een scheur of lek in zelfs een enkele hogedrukkamer de dreiging van een explosie vormt, het is in dergelijke gevallen de standaardprocedure om een ​​explosieschild te installeren tussen het apparaat en de wetenschappers.)

De wetenschappers wilden bepalen of dergelijke oude omstandigheden organische moleculen hadden kunnen produceren - die met koolstofatomen in lussen of ketens, evenals met andere atomen, meestal waterstof. Voorbeelden van complexe organische moleculen zijn aminozuren, die uiteindelijk DNA en RNA kunnen vormen.

Maar net als eieren, meel, boter en suiker zijn niet hetzelfde als cake, de aanwezigheid van zowel koolstof als waterstof in de vroege oceanen is geen garantie voor de vorming van organische moleculen. Terwijl een koolstof- en een waterstofatoom redelijkerwijs tegen elkaar kunnen botsen in deze prehistorische oceaan, ze zouden niet automatisch samenkomen om een ​​organische verbinding te vormen. Dat proces kost energie, en net zoals een bal niet vanzelf een heuvel oprolt, koolstof en waterstof zullen niet aan elkaar binden zonder een energetische duw.

Een eerdere studie door White en haar collega's toonde aan dat water dat door hydrothermale ventilatieopeningen pulseert, ijzersulfiden kan hebben gevormd. Door als katalysator op te treden, ijzersulfiden kunnen die energetische duw geven, het verlagen van de hoeveelheid energie die nodig is om koolstof en waterstof samen te laten reageren, en het vergroten van de kans dat ze organische stoffen zouden vormen.

Het nieuwe experiment testte of deze reactie waarschijnlijk zou zijn opgetreden onder de fysieke omstandigheden rond oude luchtopeningen op de zeebodem, als dergelijke ventilatieopeningen op dat moment bestonden. Het antwoord? Ja. Het team creëerde formiaat- en sporenhoeveelheden methaan, beide organische moleculen.

Tekenen van leven

Het natuurlijk voorkomende methaan op aarde wordt grotendeels geproduceerd door levende organismen of door het verval van biologisch materiaal, waaronder planten en dieren. Kan methaan op andere planeten ook een teken zijn van biologische activiteit? Om methaan te gebruiken om naar leven op andere werelden te zoeken, wetenschappers moeten zowel de biologische als niet-biologische bronnen begrijpen, zoals die geïdentificeerd door White en haar collega's.

"Ik denk dat het heel belangrijk is dat we hebben aangetoond dat deze reacties plaatsvinden in aanwezigheid van die fysieke factoren, zoals de druk en de stroom, "zei White. "We zijn nog lang niet aan het aantonen dat het leven zich in deze omgevingen had kunnen vormen. Maar als iemand ooit die zaak wil maken, Ik denk dat we de haalbaarheid van elke stap van het proces moeten hebben aangetoond; we kunnen niets als vanzelfsprekend beschouwen."

Het werk bouwt voort op de hypothese van Michael Russell dat het leven op aarde zich mogelijk heeft gevormd op de bodem van de vroege oceaan van de aarde. De vorming van organische moleculen zou een belangrijke stap in dit proces zijn. Wetenschappers in dezelfde JPL-onderzoeksgroep hebben andere aspecten van dit werk onderzocht, zoals het repliceren van de chemische omstandigheden in de vroege oceaan om aan te tonen hoe aminozuren zich daar kunnen vormen. Echter, de nieuwe studie is uniek in de manier waarop het de fysieke omstandigheden van die omgevingen opnieuw heeft gecreëerd.

In de komende jaren, NASA zal Europa Clipper lanceren, die in een baan om Jupiter zal draaien en meerdere flybys van de ijzige maan Europa zal uitvoeren. Wetenschappers geloven dat pluimen daar water vanuit de oceaan van de maan de ruimte in kunnen spuwen. die onder ongeveer twee tot 20 mijl (drie tot 30 kilometer) ijs ligt. Deze pluimen kunnen informatie geven over mogelijke hydrothermische processen op de bodem van de oceaan, vermoedelijk ongeveer 80 kilometer diep. Het nieuwe artikel draagt ​​bij aan een groeiend begrip van de chemie die zou kunnen plaatsvinden in andere oceanen dan de onze, die wetenschappers zal helpen de bevindingen van die missie en andere te interpreteren.