Experts zeggen dat het wetenschappelijke begrip van diepe koolwaterstoffen is veranderd, met nieuwe inzichten die zijn verkregen in de energiebronnen die de vroegste vormen van leven op aarde hadden kunnen katalyseren en voeden.

Gedurende de afgelopen honderd jaar hebben wetenschappers in detail uitgewerkt hoe koolwaterstoffen-fossiele brandstoffen" uit reservoirs in de aardkorst worden gehaald om huizen te verwarmen en van energie te voorzien, voertuigen, en industrie — een biotische oorsprong hebben, afgeleid van de begraven planten, dieren, en algen van eeuwen geleden.

Maar voor sommige koolwaterstoffen, vooral methaan - het kleurloze, geurloos hoofdbestanddeel van aardgas - de natuur kent vele recepten, waarvan sommige "abiotisch zijn - niet afgeleid van het verval van het prehistorische leven, maar anorganisch gecreëerd door geologische en chemische processen diep in de aarde.

Abiotische koolwaterstoffen zijn een belangrijk aandachtspunt geweest van de Deep Energy-gemeenschap van het Deep Carbon Observatory-programma - een 10-jarige verkenning van de diepste geheimen van de aarde, eind oktober.

DCO-experts geloven dat een abiotische oorsprong van methaan de meeste ongewone gebeurtenissen van het gas verklaart, inclusief de vlammen van Chimaera in het zuidwesten van Turkije.

Chimaera zit niet bovenop conventionele afzettingen van olie en gas die zijn geproduceerd uit het vergane organische residu van eerdere tijdperken. En toch, op deze bergtop hebben duizenden jaren lang tientallen kleine branden gebrand.

Oude verklaringen voor de vlammen waren onder meer de adem van een monster - deels leeuw, deel geit, deel slang. De minder kleurrijke wetenschappelijke reden:licht ontvlambaar abiotisch methaan en waterstof stijgen van diep onder naar het aardoppervlak.

Chimaera is een van de meest fotogenieke en beroemde van nu honderden locaties waar tot nu toe in meer dan 20 landen en in verschillende diepzeeregio's abiotische bronnen van methaan zijn gevonden.

DCO-medewerker Giuseppe Etiope van het Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia in Rome heeft de Chimaera-site en verschillende andere omgevingen gedocumenteerd waar ongewone voorvallen van methaan zijn gevonden, inclusief:

• Oude Precambrische schilden - rots in de kern van de continenten die maar liefst 3 miljard jaar geleden is gevormd
• Op de oceaanbodem (bijv. hoge temperatuur ventilatieopeningen op en nabij mid-oceanische ruggen en oprispingen moddervulkanen)
• Op continenten (sijpelt en hyperalkalische bronnen en watervoerende lagen).

Hoewel er in al deze omgevingen verschillende soorten gesteente voorkomen, hij merkt op, veel ontdekkingen zijn gericht op plaatsen met specifieke, geschikte soorten "ultramafic" gesteente zoals peridotiet (een grofkorrelig stollingsgesteente) opgenomen in massieven en ofiolieten (gesteentengesteenten gevormd door de onderzeese uitbarsting van oceanische aardkorst en bovenmantelmateriaal).

Men denkt nu dat het abiotische methaan van de aarde voornamelijk chemisch afkomstig is van de waterstof die wordt gecreëerd door de hydratatie van ultramafische rotsen die "serpentinisatie" ondergaan - een reactie die optreedt wanneer water het minerale olivijn ontmoet.

Waterstof voedt ook biologische bronnen van methaan. DCO-onderzoekers hebben een enorm microbieel ecosysteem gedocumenteerd:een diepe biosfeer die wordt gevoed door waterstof. Veel van de diepe microben, methanogenen genoemd, waterstof metaboliseren om methaan te produceren.

De diepe biosfeer heeft daarom een ​​kip-en-ei-scenario geponeerd:wat eerst kwam, abiotisch methaan of microben? Als abiotisch methaan eerst kwam, zoals duidelijk lijkt, gaf het aanleiding tot de eerste microben van de aarde? En als microben eerst kwamen, hoe en waarom woonden ze op plaatsen die bijna verstoken waren van voedsel?

Een decenniumdoel:de oorsprong van methaan op aarde uitzoeken

Toen het Deep Carbon Observatory-project in 2009 begon, DCO's Deep Energy-gemeenschap - die nu bestaat uit meer dan 230 onderzoekers uit 35 landen, het decenniumdoel stellen om de oorsprong van methaan op aarde uit te zoeken.

Sommigen veronderstelden dat ongebruikelijke methaanreservoirs, d.w.z. degenen die niet biotisch van oorsprong kunnen zijn, moeten zich vormen door chemische reacties die plaatsvinden in de omringende rotsen.

Anderen suggereerden dat microben bijdroegen aan de methaanproductie in sommige reservoirs, waterstof metaboliseren om methaan te maken in een heel ander proces.

Anderen veronderstelden dat methaan dieper in de aarde zou kunnen ontstaan, in de bovenmantel, en diffunderen naar het oppervlak. (Aan de Gubkin-universiteit in Moskou, onderzoeker Vladimir Kutcherov leidt experimenten om de productie van methaan te testen in laboratorium-gesimuleerde hogedrukomstandigheden van de bovenmantel van de aarde).

In het begin van zijn mandaat nam de DCO de beslissing om te investeren in nieuwe analytische instrumenten om enkele van de beperkingen bij het ontcijferen van de oorsprong van methaan te overwinnen.

Met strategische investeringen in instrumentatie en talrijke veldmonsters, DCO-partners wilden nieuwe onderzoeksinstrumenten ontwikkelen om het biotische van de aarde van abiotisch methaan te onderscheiden.

In 2014, drie nieuwe instrumenten kwamen online met het potentieel om het gezicht van diepe koolstofwetenschap te veranderen, en ze hebben niet teleurgesteld, zegt Edward Jong, van de Universiteit van Californië, Los Angeles (UCLA), co-leider van DCO's Deep Energy Community met Isabelle Daniel van de Claude Bernard University Lyon 1 in Lyon, Frankrijk.

Met behulp van complementaire technieken van massaspectrometrie en absorptiespectroscopie, wetenschappers aan de UCLA, het California Institute of Technology (Caltech), Pasadena, CA, en het Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge MA, analyseren natuurlijke methaanmonsters om beter te begrijpen hoe abiotisch methaan kan worden geproduceerd.

"Een methaanmolecuul (CH4) lijkt opmerkelijk eenvoudig, bestaat uit slechts vijf atomen, " zegt Dr. Young. "Zeldzame isotopen van zowel waterstof als koolstof worden af ​​en toe ingebouwd in methaanmoleculen, echter, en de frequentie van deze 'zware' isotopen onthult het geheim van hoe ze zijn gevormd en bij welke temperaturen."

Van bijzonder diagnostische waarde zijn methaanmoleculen die meer dan één "zware" isotoop ("geklonterde isotopen") bevatten. Deze moleculen zijn uiterst zeldzaam en kunnen alleen worden onderscheiden door instrumenten met een extreem hoge massaresolutie, gevoeligheid, en macht.

DCO-medewerkers gebruikten monsters van gassen verzameld uit Chimaera, de diepe mijnen van Canada, de Omaanse ofioliet, hydrothermale openingen op de oceaanbodem, en extra locaties, en waren verrast door wat ze vonden.

Hoewel het interpreteren van de gegevens een uitdaging is, het lijkt erop dat microben meer doen dan aanvankelijk werd gedacht.

Hoeveel abiotisch methaan?

"We zien merkwaardige biologische vingerafdrukken in monsters die anders een abiotische signatuur lijken te hebben, " zegt Dr. Daniel. "Het lijkt erop dat microben weten hoe ze deze abiotische verbindingen als brandstof moeten gebruiken."

"We hebben duidelijk en groeiend bewijs van abiotisch methaan op aarde. Wat niet duidelijk is, is hoeveel er is. Deze onderzoeken hebben een ongelooflijke complexiteit gevonden in de manier waarop methaan wordt geproduceerd, en deze complexiteiten verbinden anorganische en organische chemie op aarde op fascinerende manieren."

Dr. Young voegt eraan toe:"We gingen naar dit project in de veronderstelling dat we wisten hoe abiotisch methaan werd gevormd. Wat we leren is dat het veel gecompliceerder is, en de grootste sleutel is waterstof. Met een beter begrip van hoe rotsen de waterstof maken waaruit methaan is afgeleid, en hoe snel deze reactie verloopt, we zullen een stuk dichterbij zijn om te weten hoeveel methaan er op aarde is."

Jesse Ausubel van de Rockefeller University in New York merkt op dat de populaire definitie van "fossiele brandstof" geen betrekking heeft op abiotisch methaan.

"Duizenden monsters uit vele omgevingen die met supergevoelige instrumenten zijn getest, produceren een globaal beeld van de overvloed en stromen van diepe energie. Veel van de zeer diepe koolwaterstoffen zijn geen conventionele fossiele brandstof, zoals in de volksmond gedefinieerd."

Het gedrag van biotisch en abiotisch methaan, het moet worden opgemerkt, in termen van energie-output en emissies bij verbranding, zijn niet te onderscheiden.

Belangrijkste bevindingen tot nu toe:

• Dankzij nieuwe instrumenten wetenschappers hebben nieuwe isotoopsignaturen in methaan geïdentificeerd om de herkomst ervan te helpen bepalen - een onmogelijkheid 10 jaar geleden
• De serpentinisatiereactie wordt beter begrepen en is een van de vele manieren waarop de gesteenten van de aarde moleculaire waterstof produceren - een belangrijke bron van geologische energie voor de diepe biosfeer
• Dat waterstof reageert met koolstofdioxide om methaan te produceren, was al lang bekend. Hoe dit gebeurt in de aardkorst, echter, is zeer complex, en veel andere organische moleculen worden tijdens het proces als bijproducten gecreëerd. Deze moleculen kunnen door microben als voedselbron worden gebruikt. Ze vertegenwoordigen ook intrigerende aanwijzingen over de oorsprong van het leven op aarde, aangezien deze organische moleculen voorlopers kunnen zijn voor de bouwstenen van het leven (bijv. aminozuren)
• Met vergelijkbare omstandigheden en reacties waarschijnlijk op andere planeten en manen (bijv. de ondergrond van Mars of op de oceaanbodem van Enceladus), het versterkt de potentiële identificatie van waar leven elders in het universum kan bestaan
• Studies van serpentiniserende systemen hebben naast methaan ook andere abiotische koolwaterstoffen gevonden.

Toekomstige implicaties:

Deze onderzoeken naar de vorming van abiotisch methaan op aarde zijn niet het einde van het verhaal, maar eerder het begin.

De afgelopen 10 jaar hebben transformationele veranderingen plaatsgevonden in ons begrip van de oorsprong van methaan op aarde en de cruciale rol ervan bij het in stand houden van de diepe biosfeer, een kijkje in de geologische processen die het toneel voor het leven hadden kunnen vormen.

Met deze nieuwe ontdekkingen, we staan ​​klaar om tal van grote vragen te beantwoorden, zoals:

• Hoeveel abiotisch methaan wordt er op aarde geproduceerd?
• Hoeveel methaan produceren de microben van de diepe biosfeer van de aarde?
• Hoeveel verbruiken de microben?
• Wat zijn bewegingen en lotgevallen van abiotisch methaan?
• Waar wordt abiotisch methaan opgeslagen en voor hoe lang?

Het succes van het onderzoek van het project heeft niet alleen de perceptie van energieopwekking in de diepe aarde veranderd, maar ook over hoe het leven voet aan de grond heeft kunnen krijgen op onze planeet.

En als er abiotische energie op aarde voorkomt, hoe waarschijnlijk is het dat soortgelijke reacties en leven elders in de kosmos hebben plaatsgevonden?

Dit Deep Energy-onderzoek dat vandaag is vrijgegeven, is het resultaat van het Deep Carbon Observatory-programma, die in oktober 2019 zijn eindrapport zal publiceren na tien jaar werk door een wereldwijde gemeenschap van meer dan 1000 wetenschappers om de hoeveelheden beter te begrijpen, bewegingen, vormen, en de oorsprong van koolstof in de aarde.