De ontdekking in de jaren 70 van hydrothermale bronnen, waar vulkanen op de zeebodem hete vloeistof produceren van meer dan 350 graden Celsius, of 662 graden Fahrenheit, het begrip over de aarde en het leven fundamenteel veranderd. Nog, leven op en onder de zeebodem is vandaag de dag nog steeds een groot mysterie.

Het is belangrijk om deze vulkanisch actieve gebieden beter te begrijpen, omdat de chemie in de luchtopeningen op de zeebodem de oceaanchemie meer in het algemeen beïnvloedt. In aanvulling, de unieke omgeving van de zeebodem ondersteunt biologische en niet-biologische processen die aanwijzingen geven over hoe het leven op aarde begon, hoe het in de loop van de tijd wordt volgehouden en het potentieel voor leven op andere planetaire lichamen.

Volgens geochemicus Jill McDermott, een professor in de afdeling Aard- en Milieuwetenschappen aan de Lehigh University, eerdere studies van de chemie van hydrothermale ventilatievloeistoffen hebben reducties in bepaalde gassoorten onthuld, zoals moleculaire waterstof. Men dacht dat deze uitputting werd veroorzaakt door microbiologische gemeenschappen die in de ondiepe zeebodem leefden, gezamenlijk de onderzeese bodembiosfeer genoemd.

Echter, resultaten van een nieuwe studie door McDermott en collega's spreken die veronderstelling tegen. De onderzoekers analyseerden gasdichte hydrothermische vloeistofmonsters van 's werelds diepste bekende ventilatieveld, het hydrothermale veld Piccard bij de Mid-Cayman Rise, op een diepte van 4970 meter, of ongeveer 16, 000 voet onder zeeniveau. Ze observeerden chemische verschuivingen in hun monsters, waaronder een groot verlies aan moleculaire waterstof, dat alleen het resultaat kan zijn van abiotische (niet-biologische) en thermogene (thermische afbraak) processen, omdat de vloeistoftemperaturen buiten de grenzen lagen die het leven ondersteunen, begrepen als 122 graden Celsius, of rond de 250 graden Fahrenheit, of lager.

De resultaten zijn vandaag online gepubliceerd in een artikel "Abiotische redoxreacties in hydrothermische mengzones:verminderde beschikbaarheid van energie voor de ondergrondse biosfeer" in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Andere auteurs zijn onder meer:​​Christopher German, Senior wetenschapper in geologie en geofysica en Jeffrey Seewald, Senior wetenschapper in mariene chemie en geochemie en Sean Sylva, Onderzoeksmedewerker III, in Marine Chemistry &Geochemistry van de Woods Hole Oceanographic Institution; en Shuhei Ono, Collega Professor, Massachusetts Institute of Technology.

"Onze studie constateert dat deze verschuivingen in de chemie worden aangedreven door niet-biologische processen die energie verwijderen voordat microbiële gemeenschappen er toegang toe krijgen, ", zegt McDermott. "Dit zou cruciale implicaties kunnen hebben voor het beperken van de mate waarin wereldwijde geochemische cycli een diepe biosfeer kunnen ondersteunen, en voor het wereldwijde waterstofbudget."

Ze voegt eraan toe:"Dit betekent ook dat de ondergrondse biosfeer waarschijnlijk minder energie ontvangt dan iemand eerder had gerealiseerd. De mate waarin niet-biologische waterstofconsumptie in de oceanische korst de impact van het leven op de zeebodem kan verminderen, is een geweldig doelwit voor toekomstige studies. "

Met behulp van chemische analyse van opgeloste gassen, anorganische verbindingen, en organische verbindingen, het team ontdekte dat de vloeistofmonsters bij lage temperatuur afkomstig waren van vermenging tussen zeewater en de nabijgelegen zwarte rokers van Beebe Vents, zo genoemd omdat de vloeistof die uit de ventilatieopeningen komt, lijkt op zwarte rook uit een schoorsteen. In deze gemengde vloeistofmonsters, veel chemische soorten zijn ofwel hoog of laag in overvloed, volgens McDermott. Het monster met de grootste verschuivingen in de hoeveelheid gas had een zeebodemtemperatuur van 149 graden Celsius, of 300 graden Fahrenheit, een temperatuur die te hoog is om leven te herbergen. Dus, zij concludeerden, het proces dat verantwoordelijk is voor de geochemische veranderingen kan niet direct betrekking hebben op het leven.

De niet-biologische reacties die zij identificeerden als verantwoordelijk voor deze chemische verschuivingen omvatten sulfaatreductie en de thermische afbraak van biomassa, en worden ondersteund door overwegingen van massabalans, stabiele isotopenmetingen, en chemische energetische berekeningen.

De monsters zijn verzameld tijdens twee onderzoeksexpedities met twee op afstand bediende voertuigen, Jason II en Nereus, beide ontworpen voor diepzeeonderzoek en om een ​​breed scala aan wetenschappelijke onderzoeken in de oceanen van de wereld uit te voeren.

"Dit was een heel opwindend veldprogramma dat ons een zeldzame kans bood om de complexe wisselwerking tussen de chemie van een natuurlijke omgeving en het leven dat het ondersteunt te verkennen, "zei Seewald. "We zijn nu in een veel betere positie om de hoeveelheid microbieel leven in te schatten die zich onder de zeebodem kan bevinden."

Ontdekt in 2010, het Piccard Hydrothermal Field ligt net ten zuiden van Grand Cayman in het Caribisch gebied. De vloeistofmonsters die de onderzoekers onderzochten, werden geventileerd bij 44 tot 149 graden Celsius (111 tot 300 graden Fahrenheit), een zeldzame kans voor het team om de overgang tussen levensondersteunende en niet-levensondersteunende omgevingen te bestuderen.

"Het leuke (hete) van deze studie is dat we een reeks ventilatieopeningen konden vinden die zich uitstrekten van waar het te warm was om te leven, waar het precies goed was, ", zegt German. "Die bijzonder schattige samenloop van omstandigheden opende de mogelijkheid om nieuwe inzichten te krijgen in wat het leven wel en niet zou kunnen doen, onder de zeebodem."

Het is bekend dat verschuivingen in de temperatuur en de chemische samenstelling van de hydrothermale ventilatievloeistof dienen als een belangrijke controle op de structuur en functie van de microbiële gemeenschap in de oceanische korst in de oceanen van de wereld.

"Deze relatie bestaat omdat hydrothermale vloeistoffen energie leveren voor specifieke microbiële metabolische reacties, " zegt McDermott. "Echter, de omgekeerde vraag of de chemie van ventilatievloeistof wordt gewijzigd door het leven zelf, of in plaats daarvan door niet-levende processen, is een belangrijke die zelden wordt aangepakt."

De ontdekking van het team kan dienen om een ​​nieuw onderzoekspad te openen om te beoordelen of niet-biologische processen dienen als belangrijke controlemechanismen voor de beschikbaarheid van energie, naast microbiële processen.