Experter säger att den vetenskapliga förståelsen av djupa kolväten har förändrats, med nya insikter om energikällorna som kunde ha katalyserat och vårdat jordens tidigaste livsformer.

Under de senaste hundra åren har forskare utarbetat i detalj hur kolväten - fossila bränslen" som dras från reservoarer i jordskorpan för att värma och driva hem, fordon, och industri – har ett biotiskt ursprung, kommer från de begravda växterna, djur, och alger av tidigare eoner.

Men för vissa kolväten, speciellt metan – det färglösa, luktfri huvudingrediens i naturgas – naturen har många recept, av vilka några är "abiotiska - inte härledda från förfallet av förhistoriskt liv, men skapat oorganiskt av geologiska och kemiska processer djupt inne i jorden.

Abiotiska kolväten har varit ett stort fokus för Deep Energy-gemenskapen i Deep Carbon Observatory-programmet - en 10-årig utforskning av jordens innersta hemligheter, avslutas i oktober.

DCO-experter tror att ett abiotiskt ursprung av metan förklarar de flesta av de ovanliga förekomsterna av gasen, inklusive lågorna i Chimaera i sydvästra Turkiet.

Chimaera ligger inte ovanpå konventionella fyndigheter av olja och gas som producerats från de förmultnade organiska resterna från tidigare epoker. Och ändå, dussintals små bränder har brunnit på denna bergstoppplats i årtusenden.

Gamla förklaringar till lågorna inkluderade andedräkten från ett monster - delvis lejon, del get, del orm. Det mindre färgstarka vetenskapliga skälet:mycket brandfarlig abiotisk metan och väte som stiger upp till jordens yta underifrån.

Chimaera är bland de mest fotogena och berömda av nu hundratals platser där abiotiska metankällor hittats i mer än 20 länder och i flera djuphavsregioner hittills.

DCO-samarbetspartner Giuseppe Etiope vid Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia i Rom har dokumenterat Chimaera-platsen och flera andra miljöer där ovanliga förekomster av metan har hittats, Inklusive:

• Forntida prekambriska sköldar – sten i kärnan av kontinenterna bildades för så mycket som 3 miljarder år sedan
• På havsbotten (t.ex. högtemperaturventiler på och nära åsar i mitten av havet och rapande lervulkaner)
• På kontinenter (sipper och hyperalkaliska källor och akviferer).

Även om olika bergarter finns i alla dessa miljöer, han noterar, många upptäckter har fokuserat på platser med specifika, lämpliga typer av "ultramafiska" bergarter såsom peridotit (en grovkornig magmatisk bergart) som ingår i massiv och ofioliter (ensembler av bergarter bildade från undervattensutbrottet av havsskorpan och övre mantelmaterial).

Jordens abiotiska metan tros nu huvudsakligen härröra kemiskt från väte som skapas av hydratisering av ultramafiska bergarter som genomgår "serpentinisering" - en reaktion som inträffar när vatten möter mineralet olivin.

Väte ger också näring till biologiska källor till metan. DCO-forskare har dokumenterat ett stort mikrobiellt ekosystem - en djup biosfär som matas av väte. Många av de djupa mikroberna, kallas metanogener, metabolisera väte för att producera metan.

Den djupa biosfären har därför ställt till ett scenario med kyckling och ägg:som kom först, abiotisk metan eller mikrober? Om abiotisk metan kom först, som verkar uppenbart, gav det upphov till jordens första mikrober? Och om mikrober kom först, hur och varför bodde de på platser som nästan saknade näring?

Ett decadal mål:reda ut ursprunget till metan på jorden

När projektet Deep Carbon Observatory startade 2009, DCO:s Deep Energy-gemenskap – består nu av mer än 230 forskare från 35 nationer, satte upp det dekadala målet att reda ut ursprunget till metan på jorden.

Vissa antog att ovanliga metanreservoarer, dvs. de som inte kan vara biotiska till sitt ursprung - måste bildas genom kemiska reaktioner som sker i de omgivande stenarna.

Andra föreslog att mikrober bidrog till metanproduktion i vissa reservoarer, metabolisera väte för att skapa metan i en helt annan process.

Andra antog att metan kan ha sitt ursprung djupare på jorden, i den övre manteln, och diffunderar upp mot ytan. (Vid Moskvas Gubkin-universitet, forskaren Vladimir Kutcherov leder experiment för att testa produktionen av metan i labbsimulerade högtrycksförhållanden i jordens övre mantel).

Tidigt i sitt uppdrag fattade DCO beslutet att investera i ny analytisk instrumentering för att övervinna några av begränsningarna för att dechiffrera metans ursprung.

Med strategisk investering i instrumentering och många fältprover, DCO-partners satte sig för att banbryta nya undersökningsverktyg för att skilja jordens biotiska från abiotisk metan.

Under 2014, tre nya instrument kom online med potentialen att förändra den djupa kolvetenskapens ansikte, och de har inte blivit besvikna, säger Edward Young, vid University of California, Los Angeles (UCLA), medledare för DCO:s Deep Energy Community med Isabelle Daniel vid Claude Bernard University Lyon 1 i Lyon, Frankrike.

Med hjälp av kompletterande tekniker för masspektrometri och absorptionsspektroskopi, forskare vid UCLA, California Institute of Technology (Caltech), Pasadena CA, och Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge MA, analyserar naturliga metanprover för att bättre förstå hur abiotisk metan kan produceras.

"En molekyl av metan (CH4) verkar anmärkningsvärt enkel, består av endast fem atomer, "säger Dr Young." Sällsynta isotoper av både väte och kol införlivas ibland i metanmolekyler, dock, och frekvensen av dessa "tunga" isotoper avslöjar hemligheten bakom hur de bildades och vid vilka temperaturer."

Av särskilt diagnostiskt värde är metanmolekyler som innehåller mer än en "tung" isotop ("klumpade isotoper"). Dessa molekyler är extremt sällsynta och kan endast särskiljas med instrument med extremt hög massupplösning, känslighet, och makt.

DCO-samarbetspartners använde prover av gaser som samlats in från Chimaera, Kanadas djupa gruvor, ofioliten i Oman, hydrotermiska ventiler på havsbotten, och ytterligare webbplatser, och blev förvånade över vad de hittade.

Även om det är svårt att tolka uppgifterna, det verkar som om mikrober kan göra mer än man först trodde.

Hur mycket abiotisk metan?

"Vi ser nyfikna biologiska fingeravtryck i prover som annars verkar ha en abiotisk signatur, " säger Dr Daniel. "Det verkar som om mikrober vet hur man använder dessa abiotiska föreningar som bränsle."

"Vi har tydliga och växande bevis på abiotisk metan på jorden. Vad som inte är klart är hur mycket det finns. Dessa undersökningar har funnit en otrolig komplexitet i sättet som metan produceras på, och dessa komplexiteter förbinder oorganisk och organisk kemi på jorden på fascinerande sätt."

Dr Young tillägger:"Vi gick in i det här projektet och trodde att vi visste hur abiotisk metan bildades. Det vi lär oss är att det är mycket mer komplicerat, och den största nyckeln är väte. Med större förståelse för hur stenar gör det väte som metan härrör från, och hur snabbt denna reaktion sker, vi kommer att vara mycket närmare att veta hur mycket metan det finns på jorden."

Jesse Ausubel från Rockefeller University i New York noterar att den populära definitionen av "fossilt bränsle" inte täcker abiotisk metan.

"Tusentals prover från många inställningar testade med supersensitiva instrument ger en global bild av överflöd och flöden av djup energi. Mycket av de mycket djupa kolvätena är inte konventionellt fossilt bränsle, som populärt definieras."

Beteendet hos biotisk och abiotisk metan, Det bör noteras, när det gäller energiproduktion och utsläpp vid förbränning, är omöjliga att skilja.

Viktiga resultat hittills:

• Tack vare nya instrument, forskare har identifierat nya isotopsignaturer i metan för att hjälpa till att bestämma dess härkomst - en omöjlighet för 10 år sedan
• Serpentiniseringsreaktionen är bättre förstådd och är ett av flera sätt som jordens stenar producerar molekylärt väte på - en nyckelkälla till geologisk energi för den djupa biosfären
• Att väte reagerar med koldioxid för att producera metan var länge känt. Hur detta händer i jordskorpan, dock, är mycket komplex, och många andra organiska molekyler skapas som biprodukter i processen. Dessa molekyler kan användas av mikrober som en matkälla. De representerar också spännande ledtrådar om livets ursprung på jorden, eftersom dessa organiska molekyler kan vara prekursorer för livets byggstenar (t.ex. aminosyror)
• Med liknande förhållanden och reaktioner sannolikt på andra planeter och månar (t.ex. Mars under ytan eller på Enceladus havsbotten), det stärker den potentiella identifieringen av var liv kan finnas någon annanstans i universum
• Studier av serpentiniseringssystem har hittat andra abiotiska kolväten utöver metan.

Framtida konsekvenser:

Dessa undersökningar av hur abiotisk metan bildas på jorden är inte slutet på historien, utan snarare början.

De senaste 10 åren har vi sett förändringar i vår förståelse av metanets ursprung på jorden och dess avgörande roll för att upprätthålla den djupa biosfären, ger en inblick i de geologiska processer som kunde ha satt scenen för livet.

Med dessa nya upptäckter, vi är redo att svara på många stora frågor, Till exempel:

• Hur mycket abiotisk metan produceras på jorden?
• Hur mycket metan producerar mikroberna i jordens djupa biosfär?
• Hur mycket konsumerar mikroberna?
• Vad är rörelser och öden för abiotisk metan? Och
• Var lagras abiotisk metan och hur länge?

Framgången med projektets forskning har inte bara förändrat uppfattningen om energigenerering i djupa jorden, men också om hur livet kan ha fått fotfäste på vår planet.

Och om abiotisk energi förekommer på jorden, hur troligt är det att liknande reaktioner och liv har inträffat någon annanstans i kosmos?

Denna Deep Energy-forskning som släpptes idag är ett resultat av Deep Carbon Observatory-programmet, which will issue its final report in October 2019 after a decade of work by a global community of more than 1000 scientists to better understand the quantities, movements, forms, and origins of carbon inside Earth.