Genom att tillhandahålla den första uppskattningen av hur mycket väte som är tillgängligt för att underblåsa mikrobiellt liv i den solfria skorpan under havsbotten under Mid-Ocean Ridge (MOR), en ny Duke University-ledd studie kastar ljus över en av jordens minst förstådda biosfärer.

Det kan också hjälpa till att belysa hur liknande förhållanden kan stödja liv i andra extrema miljöer, från avlägsna planeter till den tidiga jorden själv.

De flesta mikrober använder solljusdriven fotosyntes för att skapa organiskt material. Men kemosyntetiska mikrobiella samhällen som lever djupt inne i den vulkaniska bergarten i jordens havsskorpa saknar denna energikälla och använder väte, frigörs som en fri gas när vatten rinner genom den järnrika bergarten, som deras bränsle för att omvandla koldioxid till mat.

Forskare har vetat att liv kan frodas i avgrunden sedan kort efter upptäckten av de första hydrotermiska öppningarna i djuphavet 1977. Men det var inte förrän 2013 som mikrobiologer upptäckte mikrobiella samhällen som lever i vulkaniska bergarter under havsbotten. Den upptäckten väckte en utbredd vetenskaplig nyfikenhet, inte bara på grund av den potentiella storleken på den nyfunna biosfären – havsskorpan är flera kilometer tjock och täcker 60 % av jordens yta – utan också på grund av den extrema, syrefattiga förhållanden som finns där liknar dem när livet först började på jorden, en tid då kemisk energi kan ha varit den enda tillgängliga energikällan för att underblåsa mikrobers metabolism.

"Tills nu, dock, vi hade inga bra begränsningar på den totala storleken på dessa mikrobiella samhällen eller hur mycket väte de förbrukar. Denna nya studie ger en första uppskattning och ger oss nya insikter i omfattningen av dessa mikrobers inverkan på jordens klimat och paleoklimat, sa Lincoln Pratson, Gendell familjeprofessor i energi och miljö vid Duke's Nicholas School of the Environment.

"Det ger oss också gränsvillkor för vad några av de tidigaste livsformerna på jorden hade att hantera, och var du kan leta efter liv på andra planeter, " han sa.

Forskarna publicerade sin peer-reviewed uppsats veckan den 11 maj i Proceedings of the National Academy of Sciences .

För att genomföra sin studie, de konstruerade en lådmodell som bedömde den totala produktionen av vätgas (H2) från nio olika geologiska källor inom en nästan 30 miljoner kvadratkilometer korridor av oceanisk skorpa centrerad på Mid-Ocean Ridge. Korridoren slingrar sig längs åsen genom alla världens hav och täcker cirka 10 % av hela oceanskorpan.

Teamet uppskattade också hur mycket av denna vätgas som troligen släpptes ut i havet genom hydrotermiska ventiler på havsbotten, baserat på mer än 500 mätningar av vattenprover insamlade av andra forskare på tidigare expeditioner längs Mid-Ocean Ridge.

"Genom att subtrahera mängden gas som ventileras ut, vilket var ungefär 20 miljoner ton per år, från den mängd som produceras, vilket var ungefär 30 miljoner ton per år, vi var kvar med cirka 10 miljoner ton årligen, dvs. förmodligen, konsumeras av mikrober i denna remsa av skorpa, " sa huvudförfattaren Stacey L. Worman, en före detta student till Pratson vars doktorsavhandling från 2015 om vätgasreserver under Mid-Ocean Ridge gav impulsen till den nya studien.

Dessa siffror tyder på att mikrobiella samhällen spelar en viktig roll i att hjälpa till att reglera jordens globala biogeokemi, sa Worman, som nu arbetar som forskningsanalytiker på Chevy Chase Trust i Bethesda, Md.

"Mikrober under havsbotten och i det mörka havet förbrukar betydande mängder av denna reducerade gas. Utan att dessa mikrober förbrukar denna mycket diffusiva gas, denna geologiskt producerade H2 kan tänkas fly ut i atmosfären, " Hon sa.

En sådan ingång skulle representera en ansenlig stöt - cirka 10 % - för jordens nuvarande atmosfäriska vätebudget. Eftersom vätgas kan påskynda uppbyggnaden av växthusgaser i den lägre atmosfären, som kan ha en betydande inverkan på den globala uppvärmningen.

På global skala, påverkan kan vara mycket större, Pratson noterade, eftersom de återstående 90 % av havsskorpan som inte ingick i denna studie också kan ha väteproduktion och -konsumtion på gång.

"Medan vår analys uppskattar hur mycket H2 som kan förbrukas av den djupa biosfären i närheten av MOR, det är oklart om storleken på den djupa biosfären begränsas av tillgången på H2 eller av andra faktorer, såsom temperatur, näringsämnen, tryck, pH eller till och med utrymme, ", sa Worman. "Att kombinera denna studie och framtida arbete med H2-budgeten med andra viktiga begränsningar för livet är en lovande väg för att främja vår förståelse av dess ursprung och utveckling här på jorden och för att inrikta oss på var man kan söka efter liv någon annanstans i universum. "

Worman och Pratson genomförde studien med Jeffrey A. Karson, Jessie Page Heroy professor i geologi vid Syracuse University, och William H. Schlesinger, James B. Duke professor emeritus i biogeokemi, tidigare dekanus för Duke's Nicholas School och president emeritus för Cary Institute of Ecosystem Studies,