Upptäckten på 1970-talet av hydrotermiska ventiler, där vulkaner vid havsbotten producerar het vätska som överstiger 350 grader Celsius, eller 662 grader Fahrenheit, förändrade i grunden förståelsen om jorden och livet. Än, livet vid och under havsbotten är fortfarande mycket ett mysterium idag.

Att få en bättre förståelse för dessa vulkaniskt aktiva områden är viktigt, eftersom kemin vid havsbottens öppningar påverkar havets kemi mer generellt. Dessutom, havsbottens unika miljö stöder biologiska och icke-biologiska processer som ger ledtrådar om hur livet på jorden först började, hur det upprätthålls över tid och potentialen för liv på andra planetariska kroppar.

Enligt geokemisten Jill McDermott, professor vid institutionen för geo- och miljövetenskap vid Lehigh University, tidigare studier av kemin hos hydrotermiska ventilationsvätskor har avslöjat minskningar av vissa gasarter, såsom molekylärt väte. Dessa utarmningar troddes vara orsakade av mikrobiologiska samhällen som lever i den grunda havsbotten, gemensamt kallad biosfären under havsbotten.

Dock, resultaten av en ny studie av McDermott och kollegor motsäger det antagandet. Forskarna analyserade gastäta hydrotermiska vätskeprover från världens djupaste kända ventilationsfält, Piccards hydrotermiska fält vid Mid-Cayman Rise, som ligger på ett djup av 4970 meter, eller ungefär 16, 000 fot under havsytan. De observerade kemiska förändringar i sina prover, inklusive en stor förlust av molekylärt väte, som bara kan vara resultatet av abiotiska (icke-biologiska) och termogena (termisk nedbrytning) processer, eftersom vätsketemperaturerna var över de gränser som stöder liv, förstås vara 122 grader Celsius, eller runt 250 grader Fahrenheit, eller lägre.

Resultaten publicerades online idag i en artikel "Abiotiska redoxreaktioner i hydrotermiska blandningszoner:minskad energitillgänglighet för subsurface biosphere" i Proceedings of the National Academy of Sciences . Ytterligare författare inkluderar:Christopher German, Senior forskare i geologi och geofysik och Jeffrey Seewald, Senior forskare i marin kemi och geokemi och Sean Sylva, Forskningsassistent III, i marin kemi &geokemi från Woods Hole Oceanographic Institution; och Shuhei Ono, Docent, Massachusetts Institute of Technology.

"Vår studie visar att dessa förändringar i kemi drivs av icke-biologiska processer som tar bort energi innan mikrobiella samhällen får tillgång till den, " säger McDermott. "Detta kan ha kritiska konsekvenser för att begränsa i vilken utsträckning globala geokemiska cykler kan upprätthålla en djup biosfär, och för den globala vätgasbudgeten."

Hon tillägger "Detta betyder också att biosfären under ytan sannolikt tar emot mindre energi än någon hade insett tidigare. Den grad i vilken icke-biologisk väteförbrukning i havsskorpan kan minska påverkan av liv som lever på havsbotten är ett bra mål för framtida studier. "

Med hjälp av kemisk analys av lösta gaser, oorganiska föreningar, och organiska föreningar, teamet fann att lågtemperaturvätskeproverna härrörde från blandning mellan havsvatten och de närliggande Beebe Vents svarta rökarna, så namnet eftersom vätskan som drivs ut från ventilerna liknar svart rök från en skorsten. I dessa blandade vätskeprover, många kemiska arter är antingen höga eller låga i överflöd, enligt McDermott. Provet med de största förändringarna i mängden gas hade en havsbottentemperatur på 149 grader Celsius, eller 300 grader Fahrenheit, en temperatur som är för varm för att vara värd för liv. Således, de drog slutsatsen, den process som är ansvarig för de geokemiska förändringarna kunde inte direkt involvera liv.

De icke-biologiska reaktionerna som de identifierade som ansvariga för dessa kemiska förändringar inkluderar sulfatreduktion och termisk nedbrytning av biomassa, och stöds av massbalansöverväganden, stabila isotopmätningar, och kemiska energiberäkningar.

Proverna samlades in under två forskningsexpeditioner med två fjärrstyrda fordon, Jason II och Nereus, både designade för djupvattenutforskning och för att genomföra en mängd olika vetenskapliga undersökningar i världshaven.

"Detta var ett riktigt spännande fältprogram som gav oss en sällsynt möjlighet att utforska det komplexa samspelet mellan kemin i en naturlig miljö och det liv som den stöder, ", sa Seewald. "Vi är nu i en mycket bättre position att uppskatta mängden mikrobiellt liv som kan finnas under havsbotten."

Upptäcktes 2010, Piccard Hydrothermal Field ligger strax söder om Grand Cayman i Karibien. Vätskeproverna som forskarna undersökte ventilerade vid 44 till 149 grader Celsius (111 till 300 grader Fahrenheit), ger en sällsynt möjlighet för teamet att studera övergången mellan livsuppehållande och icke-livsuppehållande miljöer.

"Det coola (heta) med den här studien är att vi kunde hitta en uppsättning ventiler som sträckte sig från där det var för varmt för livet, till där det var precis rätt, " säger German. "Den där särskilt söta uppsättningen omständigheter öppnade möjligheten att få nya insikter om vad livet kan (och kanske inte) kan göra, nere under havsbotten."

Förändringar i hydrotermisk ventilationsvätskas temperatur och kemiska sammansättning är kända för att fungera som en viktig kontroll på mikrobiell gemenskapsstruktur och funktion i havsskorpan i hela världshaven.

"Detta förhållande existerar eftersom hydrotermiska vätskor ger energi för specifika mikrobiella metaboliska reaktioner, " säger McDermott. "Men, den omvända frågan om huruvida ventilvätskans kemi modifieras av livet självt, eller istället genom icke-levande processer, är en viktig sak som sällan tas upp."

Teamets upptäckt kan tjäna till att öppna upp en ny väg för utforskning mot att bedöma om icke-biologiska processer fungerar som viktiga kontroller av energitillgänglighet, förutom mikrobiella processer.