العلماء يندفعون ويحثون على هوامش القابلية للسكن في السعي وراء حدود الحياة. وتحقيقا لهذه الغاية ، قاموا بحفر كيلومترات تحت سطح الأرض ، وحفروا للخارج من قيعان ممرات المناجم وغرقوا الآبار في أعماق رواسب المحيطات. لدهشتهم ، "كانت الحياة في كل مكان ننظر إليه ،" قالها توري هولر، الكيميائي وعالم الأحياء الفلكية في مركز أبحاث أميس التابع لوكالة ناسا. وكان موجودًا بكميات مذهلة: وفقًا لتقديرات مختلفة ، فإن العالم تحت السطحي المأهول به ضعف حجم المحيطات ويحتفظ بترتيب 10³⁰ الخلايا ، مما يجعلها واحدة من أكبر الموائل على هذا الكوكب ، وكذلك واحدة من أقدمها وأكثرها تنوعًا.

لا يزال الباحثون يحاولون فهم كيفية بقاء معظم الحياة هناك. لا يمكن لأشعة الشمس لعملية التمثيل الضوئي أن تصل إلى مثل هذه الأعماق ، وغالبًا ما يتم استنفاد الكمية الضئيلة من غذاء الكربون العضوي بسرعة. على عكس مجتمعات الكائنات الحية التي تعيش بالقرب من الفتحات الحرارية المائية في قاع البحر أو داخل المناطق القارية التي يدفأها النشاط البركاني ، لا يمكن للنظم البيئية هنا عمومًا الاعتماد على عمليات درجات الحرارة المرتفعة التي تدعم بعض الحياة تحت السطحية بشكل مستقل عن التمثيل الضوئي ؛ يجب أن تتشبث هذه الميكروبات في البرد العميق والظلام.

يبدو أن ورقتين نشرتا في فبراير من قبل مجموعات بحثية مختلفة قد حلا بعضًا من هذا اللغز بالنسبة للخلايا تحت القارات و في الرواسب البحرية العميقة. وجدوا دليلاً على أنه بقدر ما توفر تفاعلات الاندماج النووي للشمس الطاقة لعالم السطح ، فإن نوعًا مختلفًا من العمليات النووية - الاضمحلال الإشعاعي - يمكن أن يحافظ على الحياة في أعماق السطح. يمكن للإشعاع الناتج عن الذرات غير المستقرة في الصخور أن يقسم جزيئات الماء إلى هيدروجين وبيروكسيدات وجذور متفاعلة كيميائيًا ؛ يمكن لبعض الخلايا استخدام الهيدروجين كوقود مباشرة ، بينما تحول المنتجات المتبقية المعادن والمركبات المحيطة الأخرى إلى مصادر طاقة إضافية.

على الرغم من أن تفاعلات التحلل الإشعاعي هذه تنتج طاقة أبطأ بكثير من الشمس والعمليات الحرارية تحت الأرض ، فقد أظهر الباحثون أنها سريعة بما يكفي لتكون محركات رئيسية للنشاط الميكروبي في مجموعة واسعة من الإعدادات - وأنها مسؤولة عن مجموعة متنوعة من الجزيئات العضوية والمواد الكيميائية الأخرى المهمة للحياة. بالنسبة الى جاك ماسترد، عالم جيولوجيا الكواكب في جامعة براون الذي لم يشارك في العمل الجديد ، لقد فتح تفسير التحليل الإشعاعي "آفاقًا جديدة كاملة" لما يمكن أن تبدو عليه الحياة ، وكيف يمكن أن تكون قد ظهرت على الأرض في وقت مبكر ، وفي أي مكان آخر في الكون قد يتم العثور عليها ذات يوم.

هيدروجين أسفل عميق

باربرا شيروود لولار انطلقت إلى الجامعة في عام 1981 ، بعد أربع سنوات من اكتشاف الحياة في الفتحات الحرارية المائية. بصفتها طفلة لاثنين من المعلمين "أطعماني نظامًا غذائيًا ثابتًا من جول فيرن" ، قالت ، "كل هذا تحدث حقًا مع الطفل بداخلي." لم تكن دراسة السطح السفلي العميق طريقة "لفهم جزء من الكوكب لم يسبق له مثيل من قبل ، نوع من الحياة لم نفهمه بعد" ، ولكن "من الواضح أنه كان سيدوس [الحدود]" بين الكيمياء والأحياء والفيزياء والجيولوجيا ، مما يسمح للعلماء بدمج هذه المجالات بطرق جديدة ومثيرة للاهتمام.

طوال فترة تدريب شيروود لولار في الثمانينيات ومسيرتها المهنية المبكرة كجيولوجي في جامعة تورنتو في التسعينيات ، تم اكتشاف المزيد والمزيد من المجتمعات الميكروبية الجوفية. دفع اللغز الذي دعم هذه الحياة بعض الباحثين إلى اقتراح أنه قد يكون هناك "محيط حيوي عميق ناتج عن الهيدروجين" مليء بالخلايا التي تستخدم غاز الهيدروجين كمصدر للطاقة. (غالبًا ما يتم إثراء الميكروبات الموجودة في العينات الجوفية العميقة بجينات الإنزيمات التي يمكن أن تستمد الطاقة من الهيدروجين.) يمكن للعديد من العمليات الجيولوجية أن تنتج هذا الهيدروجين ، لكن أفضل العمليات التي تمت دراستها حدثت فقط في درجات حرارة وضغوط عالية. تضمنت هذه التفاعلات بين الغازات البركانية ، وانهيار معادن معينة في وجود الماء ، والتعرق - التغيير الكيميائي لأنواع معينة من الصخور القشرية من خلال التفاعلات مع الماء.

بحلول أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، شيروود لولار ، لي هونغ لين (الآن في جامعة تايوان الوطنية) ، توليس اونستوت من جامعة برينستون وزملاؤهم وجدوا تركيزات عالية من الهيدروجين - "في بعض الحالات ، مرتفعة بشكل مذهل" ، كما قال شيروود لولار - في المياه المعزولة من أعماق القشرة الجنوبية الأفريقية والكندية. لكن الثعابين لم تستطع تفسير ذلك: غالبًا ما لم تكن أنواع المعادن المطلوبة موجودة. ولا يبدو أن العمليات الأخرى محتملة ، بسبب عدم وجود نشاط بركاني حديث وتدفقات الصهارة.

قال شيروود لولار: "لذلك بدأنا في البحث وتوسيع فهمنا لتفاعلات إنتاج الهيدروجين وعلاقتها بالكيمياء وعلم المعادن للصخور في هذه الأماكن".

جاء دليل من اكتشافهم أن الماء المحاصر في تلك الأماكن الصخرية لا يحتوي فقط على كميات كبيرة من الهيدروجين ولكن أيضًا الهيليوم - وهو مؤشر على أن الجزيئات من الانحلال الإشعاعي لعناصر مثل اليورانيوم والثوريوم كانت تقسم جزيئات الماء. لوحظت هذه العملية ، التحلل الإشعاعي للماء ، لأول مرة في مختبر ماري كوري في بداية القرن العشرين ، عندما أدرك الباحثون أن محاليل أملاح الراديوم تولد فقاعات من الهيدروجين والأكسجين. أطلق عليها كوري اسم "التحليل الكهربائي بدون أقطاب كهربائية". (استغرق الأمر بضع سنوات أخرى حتى يدرك العلماء أن الأكسجين جاء من بيروكسيد الهيدروجين الذي تم إنشاؤه أثناء العملية).

شيروود لولار ولين وأونستوت ومعاونوهم المقترح في 2006 أن المجتمعات الميكروبية في جنوب إفريقيا وكندا استمدت الطاقة لبقائهم من الهيدروجين المنتج من خلال التحليل الإشعاعي. لذلك بدأوا سعيهم الطويل للكشف عن مدى أهمية التحليل الإشعاعي للحياة في البيئات الطبيعية.

"نظام قائم بذاته تمامًا"

خلال معظم العقد التالي ، حصل الباحثون على عينات من طبقات المياه الجوفية العميقة في مواقع تعدين مختلفة وربطوا الكيمياء المعقدة للسوائل بمحيطهم الجيولوجي. تم عزل بعض المياه المحصورة تحت القشرة الكندية عن السطح لأكثر من مليار سنة - وربما حتى 1 مليار سنة. داخل هذا الماء كانت البكتيريا ، لا تزال على قيد الحياة.

لاحظت موستارد "يجب أن يكون هذا نظامًا مستدامًا ذاتيًا تمامًا". من خلال عملية الإزالة ، بدا التحليل الإشعاعي كمصدر محتمل للطاقة ، ولكن هل يمكن أن يكون هناك ما يكفي منه لدعم الحياة؟

في عام 2014 ، عندما جمعت شيروود لولار وزملاؤها نتائج عمل مختبر الكيميائيين النوويين مع نماذج للتركيب المعدني للقشرة ، فإنهم اكتشف أن التحلل الإشعاعي والعمليات الأخرى من المحتمل أن تنتج كمية هائلة من الهيدروجين في باطن الأرض القاري - على قدم المساواة مع كمية الهيدروجين التي يعتقد أنها تنشأ من الحرارة المائية وغيرها من بيئات أعماق البحار. قال شيروود لولار: "ضاعفنا تقدير إنتاج الهيدروجين من تفاعلات الصخور المائية على الكوكب".

يمكن للميكروبات أن تستخدم الهيدروجين الناتج عن التحلل الإشعاعي بشكل مباشر ، لكن هذا كان نصف القصة فقط: للاستفادة الكاملة منه ، لم تكن بحاجة إلى الهيدروجين فقط كمانح للإلكترون ، بل كانت بحاجة إلى مادة أخرى كمستقبل للإلكترون. اشتبه العلماء في أن الميكروبات وجدت ذلك في المركبات التي تصنع عندما تفاعل بيروكسيد الهيدروجين والجذور الأخرى المحتوية على الأكسجين من التحلل الإشعاعي مع المعادن المحيطة. في نشر في عام 2016، أظهروا أن بيروكسيد الهيدروجين المحلل للإشعاع كان يتفاعل على الأرجح مع الكبريتيدات في جدران منجم كندي لإنتاج الكبريتات ، وهي متقبل للإلكترون. لكن شيروود لولار وزملاؤها ما زالوا بحاجة إلى دليل على أن الخلايا تعتمد على تلك الكبريتات للحصول على الطاقة.

في عام 2019 ، حصلوا عليه أخيرًا. من خلال استنبات البكتيريا من المياه الجوفية في المناجم ، تمكنوا من إثبات أن الميكروبات استفادت منها كل من الهيدروجين والكبريتات. قال الماء ، بعض التحلل الإشعاعي ، وقليل من الكبريتيد - "ومن ثم تحصل على نظام مستدام لإنتاج الطاقة يمكن أن يستمر لمليارات السنين ... مثل النبض المحيط بصلاحية السكن" جيسي تارناس، عالم الكواكب وزميل ما بعد الدكتوراه في وكالة ناسا.

أظهرت شيروود لولار وزملاؤها في ورقتهم البحثية في فبراير أن التحلل الإشعاعي فعال ليس فقط في دورات الهيدروجين والكبريت على الأرض ، ولكن في الدورة الأكثر ارتباطًا بالحياة: دورة الكربون. أظهرت تحليلات عينات المياه من نفس المنجم الكندي تركيزات عالية جدًا من مركبات الأسيتات والفورمات العضوية التي يمكن أن تدعم الحياة البكتيرية. علاوة على ذلك ، أشارت قياسات التواقيع النظيرية إلى أن المركبات تتولد بطريقة غير حيوية. افترض الباحثون أن منتجات التحلل الإشعاعي كانت تتفاعل مع معادن الكربونات الذائبة من الصخور لإنتاج كميات كبيرة من الجزيئات القائمة على الكربون التي كانوا يرصدونها.

لتدعيم فرضيتهم ، احتاج فريق شيروود لولار إلى أدلة إضافية. وصلت بعد شهر واحد فقط. الكيميائيين النوويين بقيادة لوران تروش، عالم الكيمياء الجيولوجية في جامعة جرونوبل ألب في فرنسا ، و يوهان فاندينبور من جامعة نانت كان يدرس بشكل مستقل التحليل الإشعاعي في البيئات المختبرية. في العمل المنشور في مارس ، ثبتوا الآليات والعوائد الدقيقة الانحلال الإشعاعي في وجود كربونات مذابة. قاموا بقياس التركيزات الدقيقة للعديد من المنتجات الثانوية ، بما في ذلك الفورمات والأسيتات - والكميات والمعدلات التي سجلوها تتماشى مع ما كان شيروود لولار يراه في الكسور العميقة داخل الصخور الطبيعية.

تحت قاع البحر

بينما كانت شيروود لولار تجري بحثها الميداني داخل باطن الأرض القاري ، كان عدد قليل من العلماء يحاولون اكتشاف آثار الانحلال الإشعاعي تحت قاع البحر. كان أهمها ستيف دي هوندت، عالم الأحياء الدقيقة في جامعة رود آيلاند ، الذي نشر في فبراير مع طالبة الدراسات العليا جوستين سوفاج وزملائهم نتائج ما يقرب من عقدين من الأدلة التفصيلية على أن التحليل الإشعاعي مهم للحفاظ على الحياة البحرية تحت السطح.

في عام 2010 ، D'Hondt و فوميو إيناغاكيعالم الأحياء الدقيقة في الوكالة اليابانية لعلوم وتكنولوجيا الأرض البحرية ، قاد بعثة حفر استكشافية جمعت عينات من رواسب قاع البحر من جميع أنحاء العالم. بعد ذلك ، علق D'Hondt و Sauvage عشرات أنواع الرواسب في الماء وعرضاها لأنواع مختلفة من الإشعاع - وفي كل مرة ، وجدوا أن كمية الهيدروجين المنتجة كانت أكبر بكثير مما كانت عليه عندما تم تعريض الماء النقي للإشعاع. كانت الرواسب تضخم نواتج التحلل الإشعاعي. وقال دوندت "كانت العائدات سخيفة". في بعض الحالات ، أدى وجود الرواسب في الماء إلى زيادة إنتاج الهيدروجين بعامل يقارب 30.

"بعض المعادن هي مجرد بؤر لإنتاج الهيدروجين الإشعاعي ،" قال D'Hondt. "إنهم يحولون بكفاءة عالية طاقة الإشعاع إلى طاقة كيميائية يمكن أن تأكلها الميكروبات."

ومع ذلك ، لم يجد D'Hondt وزملاؤه أي هيدروجين في نوى الرواسب التي حفروها. قال دي هوندت: "مهما كان إنتاج الهيدروجين فإنه يختفي". يعتقد الباحثون أن الميكروبات التي تعيش في الرواسب تستهلكها.

وفقًا لنماذجهم ، في الرواسب العميقة التي يزيد عمرها عن بضعة ملايين من السنين ، يتم إنتاج واستهلاك الهيدروجين الإشعاعي بسرعة أكبر من المواد العضوية - مما يجعل التحليل الإشعاعي للماء المصدر المهيمن للطاقة في تلك الرواسب القديمة. في حين أنها تمثل 1٪ -2٪ فقط من إجمالي الطاقة المتاحة في بيئة الرواسب البحرية العالمية - تأتي 98٪ الأخرى من الكربون العضوي ، والذي يتم استهلاكه في الغالب عندما تكون الرواسب صغيرة - لا تزال آثاره كبيرة جدًا. قال "قد يكون بطيئا" دوغ لارو، عالم كواكب في جامعة جنوب كاليفورنيا ، "ولكن من منظور جيولوجي ، وعلى مدى الزمن الجيولوجي ... يبدأ في التزايد."

وهذا يعني أن التحليل الإشعاعي "هو مصدر أساسي للطاقة المتاحة بيولوجيًا لميكروبيوم مهم على الأرض" ، كما قال سوفاج - ليس فقط في القارات ولكن تحت المحيطات أيضًا. "إنه مذهل حقًا."

معمل طبيعي لأصول الحياة

قد لا تتعلق الأهمية العلمية المكتشفة حديثًا للانحلال الإشعاعي فقط بكيفية استدامة الحياة في البيئات القاسية. يمكن أن يسلط الضوء أيضًا على كيف يمكن أن يكون التوليف العضوي اللاأحيائي قد مهد الطريق لأصل الحياة - على الأرض وفي أي مكان آخر.

تم تنشيط شيروود لولار من خلال ملاحظات فريقها الأخيرة التي تفيد بأنه في النظام البيئي المغلق حول المناجم الكندية ، يبدو أن معظم المركبات المحتوية على الكربون قد تم إنتاجها بطريقة غير حيوية. قالت: "إنها واحدة من الأماكن القليلة على كوكب الأرض حيث لم تلوث تشويه الحياة كل شيء". "وهذه أماكن نادرة جدًا وثمينة على كوكبنا."

وتابعت قائلة إن جزءًا من قيمتها الفريدة هو أنها يمكن أن تكون "نظيرًا لما قد يكون حساء البريبايوتك الذي ربما كانت أرضنا قد نشأت قبل نشأة الحياة". حتى لو لم تنشأ الحياة في هذا النوع من البيئة تحت السطحية - لا تزال المناطق عالية الطاقة في الكوكب ، مثل الفتحات الحرارية المائية ، أماكن أكثر احتمالية لقصة الأصل - فقد وفرت مكانًا آمنًا حيث يمكن أن تستمر الحياة لفترات طويلة من الوقت ، بعيدًا عن الأخطار الموجودة على السطح (مثل تأثيرات النيزك والمستويات العالية من الإشعاع التي ابتليت بها الأرض المبكرة).

أظهرت النمذجة والعمل التجريبي أنه حتى الأنظمة البسيطة (التي تتكون فقط من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون والكبريتات ، على سبيل المثال) يمكن أن تؤدي إلى شبكات غذائية ميكروبية معقدة للغاية؛ يمكن أن تؤدي إضافة مركبات مثل الفورمات والأسيتات من التحلل الإشعاعي إلى المزيج إلى توسيع المشهد البيئي المحتمل بشكل كبير. ونظرًا لأن الأسيتات والفورمات يمكن أن يشكلوا مواد عضوية أكثر تعقيدًا ، فيمكن أن تؤدي إلى ظهور أنظمة أكثر تنوعًا. قال "من المهم أن ترى الحياة تعمل بهذا القدر من التعقيد" كارا ماجنابوسكو، عالم جيولوجيا في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ ، "حتى في شيء ربما تراه بسيطًا جدًا ويفتقر إلى الطاقة للغاية."

قال لارو: "لنفترض أن [التحليل الإشعاعي] يمكنه فقط صنع الكربون العضوي الأساسي ، مثل الفورمات والأسيتات". "إذا قمت بنقل هذه المركبات إلى بيئة بيئية مختلفة ، فربما يمكنها أن تتفاعل هناك لتشكل شيئًا آخر. تصبح مواد أولية أو مغذية لتفاعلات أكثر تعقيدًا في بيئة مختلفة. " قد يساعد ذلك أيضًا في تقريب العلماء من فهم كيفية نشوء الأحماض الأمينية وغيرها من اللبنات الأساسية المهمة للحياة.

يتعاون Sherwood Lollar الآن مع علماء آخرين ، بما في ذلك الزملاء في مشروع CIFAR Earth 4D، لدراسة كيف يمكن للجزيئات العضوية الموجودة في المياه الكندية القديمة "تعقيد" الكيمياء الموجودة. في العمل الذي يأملون في نشره في وقت لاحق من هذا العام ، "نظهر كيف أن التطور المشترك للمواد العضوية والمعادن هو المفتاح لتنويع هذه المركبات العضوية ،" بينيديكت مينيز، عالم جيولوجيا في معهد باريس لفيزياء الأرض وأحد قادة البحث. هدفها هو تحديد كيف يمكن أن تتشكل الهياكل العضوية الأكثر تعقيدًا ، وبالتالي تلعب دورًا في بعض الأيض الميكروبي المبكر.

يدرك علماء الأحياء الفلكية أيضًا مدى أهمية التفكير في الانحلال الإشعاعي عند تقييد صلاحية الكواكب والأقمار في جميع أنحاء النظام الشمسي وبقية المجرة. قد لا تكون هناك حاجة ماسة لضوء الشمس ودرجات الحرارة المرتفعة والظروف الأخرى للحفاظ على الحياة خارج كوكب الأرض. يجب أن يكون التحلل الإشعاعي عمليًا في كل مكان على أي كوكب صخري يحتوي على مياه في باطن سطحه.

خذ كوكب المريخ. في زوج من الدراسات ، واحدة نشرت قبل عامين و آخر الشهر الماضيوترجم و Tarnas و Mustard و Sherwood Lollar وباحثون آخرون العمل الكمي الذي يتم إجراؤه على التحليل الإشعاعي على الأرض إلى باطن سطح المريخ. وجدوا أنه بناءً على التركيب المعدني للكوكب والمعايير الأخرى ، قد يكون المريخ اليوم قادرًا على الحفاظ على النظم البيئية الميكروبية المشابهة لتلك الموجودة على الأرض - مع التحلل الإشعاعي وحده. حدد العلماء مناطق من الكوكب من المرجح أن يكون فيها التركيز الميكروبي أكبر ، وهو ما يمكن أن يوجه إلى أين يجب أن تستهدف البعثات المستقبلية.

قال إيناغاكي: "إنه أمر رائع حقًا بالنسبة لي ، لأننا الآن في عصر تعد فيه فيزياء الجسيمات ضرورية لدراسة الحياة الميكروبية في باطن كوكب الأرض وعوالم أخرى في الكون."