Var bildades liv först på jorden? Vissa forskare tror att det kan ha varit runt hydrotermiska ventiler som kan ha funnits på botten av havet för 4,5 miljarder år sedan. I en ny tidning i tidningen Astrobiologi , forskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory beskriver hur de efterliknade möjliga gamla undervattensmiljöer med en komplex experimentell uppställning. De visade att under extrem press, vätska från dessa forntida havsbottensprickor blandade med havsvatten kunde ha reagerat med mineraler från de hydrotermiska ventilerna för att producera organiska molekyler - byggstenarna som utgör nästan allt liv på jorden.

Särskilt, forskningen lägger en viktig grund för djupgående studier av sådana havsvärldar som Saturnus måne Enceladus och Jupiters måne Europa, som båda tros ha flytande vatten begravda under tjocka isiga skorpor och kan vara värd för hydrotermisk aktivitet som liknar det som simuleras vid JPL. Detta forskningsområde tillhör ett studieområde som kallas astrobiologi, och arbetet utfördes av JPL Icy Worlds-teamet som en del av det tidigare NASA Astrobiology Institute.

Under det antika havet

För att simulera förhållanden som kan ha funnits på havsbotten på en nybildad jord, innan havet vimlade av liv, dåvarande doktorand Lauren White och kollegor genomförde ett experiment som sammanförde tre nyckelingredienser:väterikt vatten, som den sorten som kunde ha strömmat ut under havsbotten genom ventiler; havsvatten berikat med koldioxid, som det skulle ha varit från den antika atmosfären; och några mineraler som kan ha bildats i den miljön.

White och kollegor – inklusive hennes doktorandrådgivare, pensionerade JPL-forskaren Michael Russell – simulerade ventiler som inte spydde ut särskilt varmt vatten (det var bara cirka 212 Fahrenheit, eller 100 grader Celsius). En stor utmaning med att skapa experimentupplägget var att upprätthålla samma tryck som hittades 0,6 miles (1 kilometer) under havsytan - ungefär 100 gånger lufttrycket vid havsnivån. Tidigare experiment har testat liknande kemiska reaktioner i individuella högtryckskammare, men White och hennes kollegor ville mer fullständigt replikera de fysiska egenskaperna hos dessa miljöer, inklusive hur vätskorna flyter och blandar sig. Detta skulle kräva att det höga trycket upprätthålls i flera kammare, vilket ökade komplexiteten i projektet. (Eftersom en spricka eller läcka i till och med en enda högtryckskammare utgör hotet om en explosion, det är standardprocedur i sådana fall att installera en sprängsköld mellan apparaten och forskarna.)

Forskarna ville avgöra om sådana uråldriga förhållanden kunde ha producerat organiska molekyler - de som innehåller kolatomer i slingor eller kedjor, såväl som med andra atomer, oftast väte. Exempel på komplexa organiska molekyler inkluderar aminosyror, som så småningom kan bilda DNA och RNA.

Men precis som ägg, mjöl, smör och socker är inte samma sak som en kaka, närvaron av både kol och väte i de tidiga haven garanterar inte bildandet av organiska molekyler. Medan en kol- och en väteatom rimligen kan stöta på varandra i detta förhistoriska hav, de skulle inte automatiskt gå samman för att bilda en organisk förening. Den processen kräver energi, och precis som en boll inte rullar uppför en kulle av sig själv, kol och väte binder inte ihop utan en energisk push.

En tidigare studie av White och hennes kollegor visade att vatten som pulserade genom hydrotermiska ventiler kunde ha bildat järnsulfider. Genom att fungera som en katalysator, järnsulfider kan ge den där energiska pushen, minska mängden energi som krävs för att kol och väte ska reagera tillsammans, och öka sannolikheten för att de skulle bilda organiska ämnen.

Det nya experimentet testade om denna reaktion sannolikt skulle ha inträffat under de fysiska förhållandena runt gamla havsbottenventiler, om sådana ventiler fanns vid den tiden. Svaret? Ja. Teamet skapade format och spårmängder av metan, båda organiska molekylerna.

Tecken på liv

Naturligt förekommande metan på jorden produceras till stor del av levande organismer eller genom sönderfall av biologiskt material, inklusive växter och djur. Kan metan på andra planeter också vara ett tecken på biologisk aktivitet? Att använda metan för att söka efter liv på andra världar, forskare måste förstå både dess biologiska och icke-biologiska källor, som den som identifierats av White och hennes kollegor.

"Jag tycker att det är väldigt viktigt att vi visade att dessa reaktioner äger rum i närvaro av de fysiska faktorerna, som trycket och flödet, ", sa White. "Vi är fortfarande långt ifrån att visa att liv kunde ha bildats i dessa miljöer. Men om någon någonsin vill göra det, Jag tror att vi måste ha visat genomförbarheten av varje steg i processen; vi kan inte ta något för givet."

Arbetet bygger på Michael Russells hypotes att liv på jorden kan ha bildats på botten av jordens tidiga hav. Bildandet av organiska molekyler skulle vara ett viktigt steg i denna process. Forskare i samma JPL-forskargrupp har utforskat andra aspekter av detta arbete, som att replikera de kemiska förhållandena i det tidiga havet för att visa hur aminosyror kan bildas där. Dock, den nya studien är unik på det sätt som den återskapade de fysiska förhållandena i dessa miljöer.

Under de närmaste åren, NASA kommer att lansera Europa Clipper, som kommer att kretsa kring Jupiter och utföra flera förbiflygningar av den iskalla månen Europa. Forskare tror att plymer där kan spy vatten ut i rymden från månens hav, som ligger under cirka två till 20 miles (tre till 30 kilometer) is. Dessa plymer kan ge information om möjliga hydrotermiska processer på botten av havet, tros vara cirka 50 miles (80 kilometer) djup. Det nya dokumentet bidrar till en växande förståelse för den kemi som kan utspela sig i andra hav än våra egna, som kommer att hjälpa forskare att tolka resultaten av det uppdraget och andra kommande.