과학자들은 삶의 한계를 추구하기 위해 거주 가능성의 가장자리를 찌르고 찌르고 있습니다. 이를 위해 그들은 지구 표면 아래로 수 킬로미터를 터널링하여 광산 수갱 바닥에서 바깥쪽으로 드릴링하고 깊은 바다 퇴적물에 시추공을 가라 앉혔습니다. 놀랍게도 "우리가 본 모든 곳에 삶이있었습니다." 토리 홀러, NASA Ames Research Center의 화학자이자 우주 생물 학자. 그리고 그것은 엄청난 양으로 존재했습니다. 다양한 추정에 따르면, 거주하는 지하 영역은 대양의 두 배의 부피를 가지고 있으며 10³⁰ 지구상에서 가장 큰 서식지 중 하나이자 가장 오래되고 가장 다양한 서식지 중 하나입니다.

연구자들은 여전히 ​​그 아래에있는 대부분의 생명체가 어떻게 살아남는지 이해하려고 노력하고 있습니다. 광합성을위한 햇빛은 이러한 깊이에 도달 할 수 없으며, 그렇게하는 적은 양의 유기 탄소 식품은 종종 빠르게 고갈됩니다. 해저의 열수 분출구 근처 또는 화산 활동에 의해 온난화 된 대륙 지역에 거주하는 유기체 군집과 달리, 이곳의 생태계는 일반적으로 광합성과 관계없이 일부 지하 생명체를 지원하는 고온 과정에 의존 할 수 없습니다. 이 미생물은 깊은 추위와 어둠 속에서 매달려 있어야합니다.

XNUMX 월에 다른 연구 그룹에 의해 발표 된 두 개의 논문이 이제 세포에 대한이 수수께끼의 일부를 해결 한 것으로 보입니다 대륙 아래 과 깊은 해양 퇴적물에서. 그들은 태양의 핵융합 반응이 지표 세계에 에너지를 제공하는 것처럼, 다른 종류의 핵 과정 (방사성 붕괴)이 지표 아래 깊은 곳에서 생명을 유지할 수 있다는 증거를 발견했습니다. 암석의 불안정한 원자로부터의 방사선은 물 분자를 수소와 화학적으로 반응성이있는 과산화물과 라디칼로 분리 할 수 ​​있습니다. 일부 전지는 수소를 연료로 직접 사용할 수 있지만 나머지 제품은 미네랄 및 기타 주변 화합물을 추가 에너지 원으로 전환합니다.

이러한 방사선 분해 반응은 태양 및 지하 열 과정보다 훨씬 더 느리게 에너지를 생성하지만, 연구원들은 광범위한 환경에서 미생물 활동의 핵심 동인이 될만큼 충분히 빠르며 다양한 풀을 담당하고 있음을 보여주었습니다. 생명에 중요한 유기 분자 및 기타 화학 물질. 에 따르면 잭 머스타드, 새로운 작업에 참여하지 않은 브라운 대학의 행성 지질학자인이 방사선 분해 설명은 생명체가 어떻게 생겼는지, 초기 지구에서 어떻게 나타 났을 지, 그리고 우주의 다른 곳에서 생명체가 어떻게 생겼는지에 대해“완전히 새로운 전망을 열었습니다” 언젠가는 발견 될 것입니다.

깊은 수소

바바라 셔우드 롤라 열수 분출구에서 생명체가 발견 된 지 1981 년 후인 XNUMX 년 대학으로 출발했습니다. “줄스 베른의 꾸준한 식단을 저에게 먹여 준”두 교사의 아이로서 그녀는“이 모든 것이 제 안에있는 아이에게 정말 말을 걸었습니다.”라고 말했습니다. 깊은 지하를 연구하는 것은“이전에 본 적이 없었던 행성의 일부, 우리가 아직 이해하지 못했던 일종의 삶을 이해하는 방법”일뿐만 아니라“분명히 [] 경계를 짓밟을 것입니다. " 화학, 생물학, 물리학 및 지질학 사이에서 과학자들이 새롭고 흥미로운 방식으로 이러한 분야를 결합 할 수 있습니다.

1980 년대 Sherwood Lollar의 훈련과 90 년대 토론토 대학에서 지질 학자로서의 초기 경력을 통해 점점 더 많은 지하 미생물 군집이 발견되었습니다. 이 생명을 뒷받침하는 수수께끼의 수수께끼로 인해 일부 연구자들은 수소 가스를 에너지 원으로 사용하는 세포로 가득 찬“깊은 수소 유발 생물권”이있을 수 있다고 제안했습니다. (깊은 지하 샘플에서 발견 된 미생물은 종종 수소에서 에너지를 유도 할 수있는 효소 유전자로 풍부 해졌습니다.) 많은 지질 학적 과정이 그럴듯하게 수소를 생산할 수 있었지만, 가장 잘 연구 된 것은 고온과 압력에서만 발생했습니다. 여기에는 화산 가스 사이의 상호 작용, 물이있을 때 특정 미네랄의 분해, 뱀화 (물과의 반응을 통한 특정 종류의 지각 암의 화학적 변화)가 포함됩니다.

2000 년대 초, Sherwood Lollar는 리흥 린 (현재 National Taiwan University), 툴리스 온스 토트 프린스턴 대학과 그들의 동료들은 남아프리카와 캐나다 지각 아래 깊은 곳에서 분리 된 물에서“어떤 경우에는 놀랍도록 높은”수소 농도를 발견했다고 Sherwood Lollar는 말했다. 그러나 뱀화는 그것을 설명 할 수 없었습니다. 필요한 미네랄의 종류가 종종 존재하지 않았습니다. 최근의 화산 활동과 마그마 흐름이 없기 때문에 다른 과정도 가능성이 없어 보입니다.

“그래서 우리는 수소 생성 반응에 대한 우리의 이해와 이들 장소에서 암석의 화학 및 광물학과의 관계를 조사하고 확장하기 시작했습니다.”라고 Sherwood Lollar는 말했습니다.

암석이 많은 곳에 갇힌 물이 다량의 수소뿐만 아니라 헬륨도 보유하고 있다는 발견에서 단서는 우라늄과 토륨과 같은 원소의 방사능 붕괴로 인한 입자가 물 분자를 분열시키고 있다는 지표입니다. 그 과정 인 물 방사능 분해는 20 세기 초에 연구자들이 라듐 염 용액이 수소와 산소의 거품을 생성한다는 것을 깨달았을 때 Marie Curie의 실험실에서 처음 관찰되었습니다. Curie는 이것을 "전극이없는 전기 분해"라고 불렀습니다. (과학자들이 그 과정에서 생성 된 과산화수소에서 산소가 나온다는 사실을 과학자들이 깨닫기까지 몇 년이 더 걸렸습니다.)

Sherwood Lollar, Lin, Onstott 및 그들의 협력자 2006 제안 남아프리카와 캐나다의 미생물 군집은 방사선 분해를 통해 생산 된 수소로부터 생존을위한 에너지를 얻었습니다. 그래서 방사선 분해가 자연 환경에서 생명체에 얼마나 중요한지 알아보기위한 긴 탐구를 시작했습니다.

'완전히 독립적 인 시스템'

이후 1 년 동안 연구자들은 다양한 채광 현장의 심층 대수층에서 샘플을 확보하고 유체의 복잡한 화학을 지질 학적 환경과 연관 시켰습니다. 캐나다 지각 아래에 갇힌 일부 물은 2 억년 이상, 아마도 XNUMX 억년 동안 표면에서 격리되어있었습니다. 그 물 속에는 박테리아가 있었는데, 여전히 아주 많이 살아있었습니다.

Mustard는“완전히 자립형 시스템이어야했습니다. 제거 과정에서 방사선 분해는 가능한 에너지 원처럼 보였지만 생명을 유지하기에 충분할까요?

2014 년 Sherwood Lollar와 그녀의 동료들은 핵 화학자의 실험실 작업 결과를 지각의 미네랄 구성 모델과 결합했을 때 방사선 분해 및 기타 과정이 열수 및 기타 심해 환경에서 발생하는 것으로 생각되는 수소의 양과 동등하게 대륙 지하에서 엄청난 양의 수소를 생산할 가능성이 높습니다. Sherwood Lollar는“우리는 지구상의 물-암석 반응으로 인한 수소 생산량을 두 배로 늘 렸습니다.

미생물은 방사선 분해에 의해 생성 된 수소를 직접 활용할 수 있었지만 이는 절반에 불과했습니다.이를 최대한 활용하려면 수소를 전자 공여체로 사용할뿐만 아니라 전자 수용체로 다른 물질이 필요했습니다. 과학자들은 방사능 분해로 인한 과산화수소 및 기타 산소 함유 라디칼이 주변 광물과 반응 할 때 만들어진 화합물에서 미생물이 발견했다고 의심했습니다. 에 2016 년에 출판 된 작품, 그들은 방사성 과산화수소가 캐나다 광산 벽의 황화물과 상호 작용하여 전자 수용체 인 황산염을 생성 할 가능성이 있음을 보여주었습니다. 그러나 Sherwood Lollar와 그녀의 동료들은 세포가 에너지를 위해 황산염에 의존하고 있다는 증거가 여전히 필요했습니다.

2019 년에 그들은 마침내 그것을 얻었습니다. 광산 지하수에서 박테리아를 배양함으로써 그들은 미생물이 수소와 황산염 모두. 물, 약간의 방사성 붕괴, 약간의 황화물 —“그리고 수십억 년 동안 지속될 수있는 지속적인 에너지 생산 시스템을 얻게됩니다. 제시 타르 나스, 행성 과학자이자 NASA 박사후 연구원.

XNUMX 월 논문에서 Sherwood Lollar와 그녀의 동료들은 방사능 분해가 지구상의 수소와 유황 순환뿐만 아니라 생명과 가장 밀접하게 관련된 순환에서 중요한 역할을한다는 것을 보여주었습니다. 같은 캐나다 광산에서 채취 한 물 샘플을 분석 한 결과, 박테리아의 생명을 지탱할 수있는 매우 높은 농도의 아세테이트와 포름산 유기 화합물이 나타났습니다. 더욱이, 동위 원소 시그니처의 측정은 화합물이 비 생물 적으로 생성되고 있음을 나타냅니다. 연구자들은 방사선 분해 생성물이 암석에서 용해 된 탄산염 광물과 반응하여 그들이 관찰하고있는 많은 양의 탄소 기반 분자를 생성한다고 가정했습니다.

가설을 확고히하기 위해 Sherwood Lollar의 팀은 추가적인 증거가 필요했습니다. 한 달 후에 도착했습니다. 이끄는 핵 화학자 로랑 트루 슈, 프랑스 그르노블 알프스 대학의 지구 화학자, 요한 반덴 보레 University of Nantes의 of the University는 실험실 환경에서 독립적으로 방사선 분해를 연구했습니다. XNUMX 월에 출판 된 작품에서 그들은 정확한 메커니즘과 수율 용해 된 탄산염의 존재 하에서 방사선 분해의. 그들은 포름 산염과 아세테이트를 포함한 다양한 부산물의 정확한 농도를 측정했으며, 그들이 기록한 양과 속도는 Sherwood Lollar가 천연 암석의 깊은 골절에서 관찰 한 것과 일치했습니다.

바다 밑바닥

Sherwood Lollar가 대륙 지하에서 현장 연구를 수행하는 동안 소수의 과학자들은 해저 아래에서 방사능 분해의 영향을 조사하려고했습니다. 그들 중 최고는 Steve D' Hondt로드 아일랜드 대학의 지구 미생물학자는 지난 XNUMX 월 대학원생 Justine Sauvage와 동료들과 함께 방사능 분해가 해양 지하 생물을 유지하는 데 중요하다는 거의 XNUMX 년 동안의 상세한 증거 결과를 발표했습니다.

2010 년에 D' Hondt와 후미오 이나가키일본 해양 지구과학 기술 청의 지구 미생물학자는 전 세계의 해저 퇴적물 샘플을 수집하는 시추 탐험을 이끌었습니다. 그 후, D' Hondt와 Sauvage는 수십 가지 유형의 퇴적물을 물에 현탁시켜 서로 다른 유형의 방사선에 노출 시켰습니다. 매번 생성되는 수소의 양이 순수한 물을 조사했을 때보 다 훨씬 많음을 발견했습니다. 퇴적물은 방사선 분해 산물을 증폭 시켰습니다. 그리고 "수율은 말도 안됐다"고 D' Hondt는 말했다. 어떤 경우에는 물에 침전물이 존재하면 수소 생산이 거의 30 배 증가했습니다.

D' Hondt는“일부 광물은 방사성 수소 생산의 온상 일뿐입니다. "그들은 방사선 에너지를 미생물이 먹을 수있는 화학 에너지로 매우 효율적으로 변환합니다."

그러나 D' Hondt와 그의 동료들은 그들이 시추 한 침전물 코어에서 수소를 거의 발견하지 못했습니다. D' Hondt는“생성되는 수소는 모두 사라지고 있습니다. 연구자들은 퇴적물에 서식하는 미생물에 의해 소비되고 있다고 생각합니다.

그들의 모델에 따르면, 수백만 년이 넘은 깊은 퇴적물에서 방사성 수소가 생성되고 유기물보다 더 빨리 소비되고 있으며, 물의 방사능 분해가 오래된 퇴적물에서 지배적 인 에너지 원이됩니다. 전 세계 해양 퇴적물 환경에서 사용할 수있는 총 에너지의 1 ~ 2 % 만 차지하지만 나머지 98 %는 퇴적물이 어릴 때 주로 소비되는 유기 탄소에서 나옵니다. 그 효과는 여전히 상당히 큽니다. "느릴 수 있습니다." 더그 라 로베, 서던 캘리포니아 대학의 행성 과학자,“하지만 지질 학적 관점에서 보면 지질 학적 시간이지나면서… 합산되기 시작합니다.”

이것은 방사능 분해가“지구상의 중요한 미생물 군집을위한 생체 이용 가능한 에너지의 근본적인 원천”임을 의미한다고 Sauvage는 말했다.-대륙뿐만 아니라 바다 아래에서도 마찬가지입니다. "꽤 놀랍습니다."

생명의 기원을위한 자연 실험실

방사선 분해의 새로 발견 된 과학적 중요성은 극한 환경에서 생명을 유지하는 방법과 관련이 없을 수도 있습니다. 그것은 또한 비 생물 적 유기 합성이 어떻게 지구와 다른 곳에서 생명의 기원을위한 무대를 설정했는지 조명 할 수 있습니다.

Sherwood Lollar는 캐나다 광산 주변의 폐쇄 된 환경 시스템에서 대부분의 탄소 함유 화합물이 비 생물 적으로 생산 된 것으로 보인다는 그녀의 팀의 최근 관찰에 힘을 얻었습니다. 그녀는“생명의 번짐이 모든 것을 오염시키지 않은 지구상에서 몇 안되는 곳 중 하나입니다. "그리고 그것들은 지구상에서 매우 희귀하고 귀중한 곳입니다."

그들의 고유 한 가치의 일부는 그들이“생명이 일어나기 전에 지구가 가질 수 있었던 프리 바이오 틱 수프에 대한 유사체”가 될 수 있다는 것입니다. 생명체가 이런 종류의 지하 환경에서 발생하지 않더라도 열수 통풍구와 같은 행성의 고 에너지 지역은 기원 이야기를위한 더 가능성있는 장소입니다. 생명체가 오랫동안 지속될 수있는 안전한 장소를 제공했습니다. 시간, 표면에서 발견 된 위험 (예 : 초기 지구를 괴롭힌 유성 충돌 및 높은 수준의 방사능)에서 멀리 떨어져 있습니다.

모델링 및 실험 작업에 따르면 단순한 시스템 (예 : 수소, 이산화탄소 및 황산염으로 만 구성됨)조차도 매우 복잡한 미생물 먹이 그물; 방사선 분해에서 나온 포름 산염 및 아세테이트와 같은 화합물을 혼합물에 첨가하면 잠재적 인 생태 경관을 크게 확대 할 수 있습니다. 그리고 아세테이트와 포름 산염은 더 복잡한 유기물을 형성 할 수 있기 때문에 훨씬 더 다양한 시스템을 일으킬 수 있습니다. "이 정도의 복잡성으로 작동하는 삶을 보는 것이 중요합니다." 카라 마그나 보스코, 취리히 스위스 연방 공과 대학의 지질 생물학자는“아마도 아주 단순하고 에너지가 부족하다고 생각할 수도 있습니다.”

“[방사선 분해]는 포름 산염과 아세테이트와 같은 기본적인 유기 탄소만을 만들 수 있다고 가정 해 봅시다.”LaRowe가 말했다. “이러한 화합물을 다른 환경 설정으로 옮기면 아마도 거기에서 반응하여 다른 것을 형성 할 수 있습니다. 그들은 다른 설정에서 더 복잡한 반응을위한 시작 또는 공급 물질이됩니다.” 그것은 과학자들이 아미노산과 다른 중요한 생명의 구성 요소가 어떻게 생겼는지 이해하는 데 도움이 될 수도 있습니다.

Sherwood Lollar는 현재 동료를 포함한 다른 과학자들과 협력하고 있습니다. CIFAR Earth 4D 프로젝트, 고대 캐나다 물에 존재하는 유기 분자가 당면한 화학을“복잡하게”하는 방법을 연구합니다. 연구에서 그들은 올해 말에 "우리는 유기물과 미네랄의 공진화가 이러한 유기 화합물의 다양 화에 핵심적인 방법을 보여줄 것"이라고 말했다. 베네딕트 메네즈파리 지구 물리학 연구소의 지질 생물 학자이자 연구의 리더 중 한 명입니다. 그녀의 목표는 더 복잡한 유기 구조가 어떻게 형성되어 초기 미생물 대사에서 역할을 할 수 있는지 결정하는 것입니다.

우주 생물 학자들은 또한 태양계와 은하계 전체에 걸쳐 행성과 ​​달의 거주 가능성을 제한 할 때 방사선 분해를 고려하는 것이 얼마나 중요한지 깨닫고 있습니다. 외계 생명체를 유지하기 위해 햇빛, 고온 및 기타 조건이 반드시 필요하지는 않을 수 있습니다. 방사선 분해는 지하에 물이있는 암석 행성에서 거의 어디에나 존재해야합니다.

화성을 가져 가세요. 한 쌍의 연구에서 몇 년 전에 출판 된 과 지난달에, Tarnas, Mustard, Sherwood Lollar 및 기타 연구자들은 지구에서 방사선 분해에 대해 수행되고있는 정량적 작업을 화성 지하로 번역했습니다. 그들은 행성의 광물 구성과 다른 매개 변수에 기초하여 오늘날 화성이 지구에있는 것과 유사한 미생물 생태계를 유지할 수 있다는 것을 발견했습니다. 과학자들은 미생물 농도가 가장 높을 가능성이 높은 지구 지역을 식별하여 향후 임무를 목표로 삼아야 할 곳을 안내 할 수 있습니다.

Inagaki는 "내게 정말 매력적입니다. 지금 우리는 지구 행성 내부와 우주의 다른 세계에서 미생물 생명체를 연구하기 위해 입자 물리학이 필요한 시대에 있습니다"라고 말했습니다.