Op 26 maart 1961, tegen middernacht, klotste donker water tegen de romp van een omgebouwd marineschip terwijl het onrustig schommelde in de Stille Oceaan. Het schip was zojuist op deze plek aangekomen, zo'n 240 kilometer van het schiereiland Baja, na drie dagen van vechten tegen een zee die zo ruw was dat de bemanning de uitrusting met zware kettingen aan het dek had vastgesjord, ‘als een schurkenolifant’, aldus romanschrijver John Steinbeck. bevond zich aan boord van het schip, schreef later voor Life magazine.

Terug aan wal vlogen er geruchten over de doelstellingen van de bemanning. Sommigen speculeerden dat ze op jacht waren naar diamanten of gezonken schatten. Anderen vermoedden dat ze op zoek waren naar een plek waar ze een raket op de zeebodem konden opbergen. Maar de doelstellingen van het team waren zelfs nog verhevener dan de wildste geruchten. Het plan – dat werd bedacht tijdens een met alcohol doordrenkt ontbijt in het huis van de geoloog Walter Munk in La Jolla – was om een ​​gat te boren zo diep dat het door de aardkorst heen zou slaan en de mantel van de planeet zou bereiken, een hete, rotsachtige laag ingeklemd tussen de aardkorst en de aarde. zijn kern.

Nu, meer dan 62 jaar na de inspanning die bekend staat als Project Mohole, moeten wetenschappers nog steeds met succes door een intact deel van de aardkorst boren. Maar afgelopen voorjaar kwam een ​​team aan boord van het tientallen jaren oude boorschip de JOIDES-resolutie bereikten het op één na beste: ze haalden een schat aan mantelrotsen uit een gebied op de Atlantische zeebodem waar de korst bijzonder dun is. De locatie ligt bovenop een onderzeese berg die bekend staat als het Atlantismassief, waar de langzame verschuivingen van tektonische platen blokken mantelrotsen dichter naar de oppervlakte hebben geduwd.

Hoewel de mantel het grootste deel van onze planeet uitmaakt, liggen de rotsen meestal kilometers onder het oppervlak begraven, waardoor verse monsters moeilijk te achterhalen zijn. Maar mantelgesteenten zoals die die afgelopen voorjaar zijn opgegraven, kunnen aanwijzingen bieden voor de diepe werking van de aarde en onderzoekers helpen de tektonische choreografie die fundamenteel is voor onze wereld beter te begrijpen.

De nieuw verzamelde rotsen kunnen ook aanwijzingen bevatten voor een ander bepalend kenmerk van onze planeet: leven.

Wanneer zeewater mantelgesteente ontmoet, ontstaat er door een reeks chemische reacties een cocktail die de organische verbindingen kan creëren die nodig zijn om de eerste vonken van het leven te ontsteken. Wetenschappers hebben al aanwijzingen gevonden voor kleine organische moleculen die zonder microbiële hulp zijn ontstaan ​​in het Lost City hydrothermale ventilatiesysteem, een uitgestrekte geologische metropool bovenop het Atlantismassief. Sommige wetenschappers hebben lang gespeculeerd dat dergelijke omgevingen de vroegste levensvormen van onze planeet zouden kunnen hebben uitgebroed. Nu reikt het onlangs geboorde gat van het team, dat meer dan een kilometer onder de zeebodem heeft geboord, tot in wat het kloppende hart van dit hydrothermale systeem lijkt te zijn.

“Dat opent een wereld van mogelijkheden voor ons”, zegt hij Susan Lang, een biogeochemicus bij de Woods Hole Oceanographic Institution die de expeditie mede leidde.

Er zijn al aanwijzingen dat hoge concentraties waterstofgas in het water van de boorgaten beschikbaar zouden kunnen zijn om de organische synthese mogelijk te maken. Dit natuurlijke laboratorium belooft het team te helpen de oorsprong te ontrafelen van de levengevende stoofpot die door de torens van Lost City naar boven sijpelt, waardoor ze de organische chemie van een wereld zonder organismen kunnen bestuderen – de chemie van het leven voordat het leven bestond, of toen het leven bestond. uiterst schaars. De weinige microben die de extreme ondergrondse omstandigheden overleven, kunnen ook aanwijzingen bieden over hoe de vroegste wezens de kost verdienden, waardoor wetenschappers uiteindelijk de cruciale stappen konden ontcijferen die chemische verbindingen in wezens veranderden.

Een verloren stad bouwen

Lang herinnert zich nog de dag, zo'n twintig jaar geleden, toen haar een ligplaats werd aangeboden op het schip dat de eerste gedetailleerde studie van de Lost City-openingen uitvoerde. Tranen van opwinding stroomden in haar ogen. “Ik zei ja zonder het bij iemand na te vragen”, zei Lang, destijds afgestudeerd aan de Universiteit van Washington.

Haar enthousiasme weerspiegelde het revolutionaire karakter van Lost City, waarvan de glanzende, doorschijnende kolommen met heet water voor het eerst werden opgemerkt door wetenschappers aan boord van het onderzoeksschip Atlantis in 2000. Destijds waren alle andere bekende hydrothermale ventilatiesystemen donker, met schoorstenen die zwart waren gemaakt door vulkanische sulfiden die dikke, rokerige pluimen van verschroeiende vloeistoffen in de oceaan pompten. Maar de torenspitsen van Lost City waren spookachtig wit.

Zoals wetenschappers al snel ontdekten, komt de lichte tint voort uit reacties tussen zeewater en de rots verscholen in het Atlantismassief. Deze onderzeese berg is iets groter dan Mount Rainier en bestaat grotendeels uit peridotiet, een gesteentesoort die de bovenmantel domineert. De berg is ontstaan ​​uit de bezadigde verschuivingen van de nabijgelegen Mid-Atlantische Rug, waar de Noord-Amerikaanse en Afrikaanse tektonische platen langzaam uit elkaar trekken. Deze beweging de bovenste korst verwijderd vanaf de stijgende top, waardoor delen van de peridotietkern bloot komen te liggen.

Peridotiet blijft normaal gesproken onder kilometers korst hangen. Het is onstabiel zo dicht bij het aardoppervlak, waar zeewater in scheuren in de rotsen kan kruipen. Wanneer dat gebeurt, reageert een mineraal genaamd olivijn, dat de peridotiet domineert, gemakkelijk met watermoleculen, waardoor een reeks chemische stappen ontstaat die serpentinisatie worden genoemd. Het proces maakt het water zeer alkalisch, dus wanneer vloeistoffen uit de spleet zich vermengen met vers zeewater, slaan bleke mineralen neer en vormen de prachtige torenspitsen van Lost City, die zo hoog zijn als een rots. Gebouw met 20 verdiepingen.

Maar een ander bijproduct van serpentinisatie, waterstof, lokt Lang en andere wetenschappers al tientallen jaren naar de plek. Onder de juiste omstandigheden kan waterstofgas eenvoudige chemische reacties aanwakkeren, zoals het omzetten van kooldioxide en water in kleine organische verbindingen, zonder microbiële hulp (of abiotisch). Voortdurende reacties zouden grotere en complexere organische moleculen kunnen creëren, misschien door ambachten precies de juiste mix van ingrediënten – suikers, vetten, aminozuren – om de vroegste levensvormen te bereiden. Bovendien hebben waterstof en kleine organische stoffen mogelijk ook voedsel geleverd aan de vroegste bewoners van de aarde. “Waterstof is de sleutel tot alles,” zei Lang.

Dit gas kwam waarschijnlijk vaker voor op de vroege aarde, toen de minerale samenstelling van het oppervlak verschilde van die van vandaag, waardoor serpentinisatiereacties vaker voorkwamen.

Bij Atlantis Massif willen Lang en haar collega's weten welke organische verbindingen zich kunnen vormen zonder microbiële hulp en welke microben zouden kunnen overleven op dit ongewone ondergrondse buffet. De resultaten zouden aanwijzingen kunnen bieden over hoe de vroegste levensvormen hun brood verdienden, evenals de chemie die aan die oude microben voorafging.

Maar tegenwoordig is er veel leven op het aardoppervlak, zowel boven als onder water, waardoor het moeilijk is verbindingen te identificeren die zonder de hulp van de biologie zijn gemaakt. Dat geldt vooral voor Lost City. “Je ziet gewoon de snotterige biofilms over die schoorstenen groeien”, zegt hij William Brazelton, een microbioloog aan de Universiteit van Utah en a JOIDES teamlid.

Daarom richtten onderzoekers hun blik op de gebieden onder de zeebodem, waar microben schaars zijn en zuurstof schaars, waardoor omstandigheden ontstaan ​​die vergelijkbaar zijn met die van de vroege aarde. Zoals Brazelton zei: “We moeten letterlijk dieper gaan.”

Een natuurlijk laboratorium vinden

In de jaren zestig markeerde Project Mohole het begin van pogingen om de onontdekte diepten van onze planeet te doorgronden in een tijd van ‘heroïsche wetenschap’, zegt Damon Teagle, een geochemicus aan de Universiteit van Southampton en een veteraan van vele wetenschappelijke oceaanboorexpedities.

De naam was een spel met de Mohorovičić-discontinuïteit, of Moho, die de grens tussen de korst en de mantel definieert. Onder continenten is de Moho meer dan 30 kilometer diep te vinden; onder de zeebodem is het dichter bij 7 kilometer. Daarom kiezen teams die zich op de mantel richten er meestal voor om vanaf schepen te boren.

Project Mohole kwam niet eens in de buurt van zijn doel saai door 179 meter sedimenten en slechts 4 meter gesteente op de zeebodem. Maar zelfs die inspanning bracht een schat aan informatie over onze planeet aan het licht, waaronder het feit dat zich onder sedimenten op de zeebodem relatief jonge vulkanische gesteenten bevonden – een vondst die later zou dienen als een belangrijk bewijsstuk in de zaak van de platentektoniek. Het produceerde ook technologieën die zich ontwikkelden tot systemen die wetenschappers nog steeds gebruiken, waaronder enkele aan boord van de JOIDES-resolutie dit afgelopen voorjaar.

Maar zelfs vandaag de dag vormen diepzeeboringen een enorme uitdaging. Om te beginnen verslijt het boren door hard gesteente de boorkoppen snel, waardoor regelmatige boorwissels noodzakelijk zijn en de noodzaak om hetzelfde kleine boorgat opnieuw in te gaan vanuit een schip dobberen bovenop honderden of duizenden meters water, wat lijkt op het laten vallen van een naald in een gaatje. Tot overmaat van ramp kende de expeditie van afgelopen voorjaar een ongunstige start. Terwijl het team hun eerste proefgat aan het boren was, kwam hun boor vast te zitten, en om te voorkomen dat het schip voor altijd voor anker zou blijven in het Atlantis-massief, verbrak de bemanning de verbinding met een explosie van dynamiet. Vervolgens brak een deel van het systeem waarmee de boor meerdere malen een boorgat kon binnendringen in stukken.

Met een beetje creativiteit zijn ze eindelijk begonnen met boren op een locatie die nu bekend staat als U1601C en die onder bijna 850 meter water ligt. En dat is het moment waarop hun geluk veranderde.

Bij de meeste boorexpedities op de zeebodem verloopt de voortgang traag, waarbij elke drie uur rotskernen aan dek worden gesleept. Maar zodra de JOIDES team ging aan de slag, ze laadden bijna elk uur nieuwe kernen aan boord. Wetenschappers die de kernen verwerkten, konden het nauwelijks bijbenen, en voordat ze het wisten, had de boor mantelrotsen geraakt.

Vóór deze expeditie was het verste dat iemand ooit in veranderde mantelrotsen had geboord 200 meter. De JOIDES team legde die afstand in slechts een paar dagen af, maar uiteindelijk saai 1,267.8 meter van voornamelijk peridotiet. “Het was gewoon opmerkelijk”, zei Teagle, die geen deel uitmaakte van de recente onderneming.

Voor Lang zat een van de grootste verrassingen diep in het boorgat verborgen. Nadat ze hun laatste kern hadden verwijderd, spoelde de bemanning het lege gat door met schoon water en liet natuurlijke vloeistoffen en gassen binnen ruim 72 uur terugkruipen. Vervolgens verzamelden ze het boorwater op verschillende diepten en splitsten het op voor ruim een ​​dozijn chemische tests, waaronder een waterstofgasanalyse.

Hooguit verwachtte Lang dat hij tot nu toe onder de grond sporen van waterstof zou aantreffen. Maar het diepste watermonster bevatte zoveel gas dat er, toen het aan de oppervlakte kwam, belletjes in de buis vormden, een fenomeen dat lijkt op wat er gebeurt als je een vers blikje frisdrank openbreekt.

‘We hadden zoiets van, heilige onzin,’ zei Lang, terwijl ze zich haar eigen reactie en die van Brazelton herinnerde. “Er kwam veel vloeken bij kijken.”

Het water zit boordevol waterstof, de brandstof die nodig is om abiotische reacties aan te drijven.

De bouwstenen der bouwstenen

Meer dan zes maanden na de expeditie is het team nog steeds bezig met het verwerken van hun enorme aantal monsters: het bestuderen van de waterchemie, het identificeren van microben, het karakteriseren van de rotsen, en meer. "Mensen gaan een hele alfabetsoep van elementaire analyses op deze rotsen uitvoeren", zei hij Andrew McCaig, een geoloog aan de Universiteit van Leeds die de expeditie mede leidde.

Voorlopige modellen duiden erop dat de temperatuur nabij de bodem van het boorgat zelfs 122 graden Celsius zou kunnen bereiken, de momenteel bekende limiet voor de levensduur (hoewel sommige studies suggereren dat de limiet zelfs nog hoger zou kunnen liggen). Lang waarschuwt dat de modellen bevestiging nodig hebben, omdat ze gebaseerd zijn op metingen die zijn gedaan toen de temperatuur in het boorgat enigszins werd onderdrukt door het koele water dat tijdens het boren circuleerde. Als echter wordt bevestigd dat de omstandigheden zo extreem zijn, zou de diepte wetenschappers in staat stellen levensbevorderende chemische reacties te bestuderen zonder de vertroebelende invloed van microben.

Dit zou een belangrijke stap voorwaarts zijn voor wetenschappers die de waterige oorsprong van het leven bestuderen. “Tegenwoordig op aarde is het erg moeilijk om getuige te zijn van abiotische of prebiotische chemie, omdat het leven domineert; het leven is overal”, zei hij Laurie Barges, een astrobioloog bij het Jet Propulsion Laboratory van NASA die geen deel uitmaakte van de expeditie.

Vroege analyses suggereren ook dat het kleine organische zuurformiaat in het boorgatwater aanwezig is. Formiaat is een van de eenvoudigste verbindingen die zich op abiotische wijze kunnen vormen, uit reacties tussen koolstofdioxide en waterstof, en zou een eerste stap kunnen betekenen in de richting van de eerste glimpen van leven op de vroege aarde.

“Het is de grondstof om de bouwstenen te bouwen,” zei Lang. Voortdurende abiotische reacties met formiaat zouden grotere organische verbindingen zoals aminozuren kunnen produceren, die aan elkaar kunnen worden geregen tot moleculen die essentieel zijn voor het leven, zoals enzymen en andere eiwitten.

Maar een groot deel van het chemische beeld bij het Atlantismassief blijft vaag. Het formiaat diep in het boorgat kan zich zonder microbiële hulp hebben gevormd, net als in de ondiepere ondergrond in de buurt, maar er zijn meer tests nodig om zeker te zijn. Het water bevat ook methaan, een stof die volgens sommige wetenschappers van vitaal belang is voor de vroege stofwisseling en die abiotisch zou kunnen worden gegenereerd uit reacties met waterstof. Maar hoe methaan zich vormt in Lost City is een ander mysterie – het is ‘ingewikkeld en verwarrend’, zei Brazelton.

Het identificeren van abiotische reacties in de natuur zou toekomstige laboratoriumexperimenten kunnen informeren die de prebiotische chemie testen, waarbij onderzoekers de omstandigheden kunnen aanpassen om de vroege aarde of andere werelden nauwkeuriger te simuleren, legde Barge uit. ‘Lost City is een heel bijzondere plek’, zei ze.

Op jacht naar microben

Zelfs als het diepe boorgat niet verstoken is van leven, zal de bijna ongekende hoeveelheid teruggevonden rotskernen wetenschappers helpen verschuivingen in de waterchemie en gesteentetypes in verband te brengen met de weinige microben die ondergronds leven kunnen voortbrengen. Bestuderen hoe microben overleven te midden van schaarse ondergrondse hulpbronnen – misschien door waterstof en andere abiotisch gevormde verbindingen te eten – zou ons beeld van het vroege leven kunnen helpen verscherpen.

Vooral Brazelton is op jacht naar de specifieke enzymen die microben gebruiken om waterstof en kleine organische verbindingen in energie om te zetten. "Het hele idee hier is dat er chemie plaatsvindt in rotsen, en op een gegeven moment verandert die chemie in leven," zei Brazelton. Die enzymen zouden wel eens de knop kunnen zijn die onderzoekers helpt de evolutionaire klok terug te draaien om te ontcijferen hoe de vroegste stofwisselingen tot stand zijn gekomen.

Andere inspanningen zijn gericht op het incuberen van monsters uit de rots en het proberen om diepe microben in actie te vangen, legt ze uit Fengping Wang, de geomicrobioloog die dit werk leidt aan de Shanghai Jiao Tong Universiteit. Wang bestudeert al bijna twintig jaar het leven in de ondergrond, maar zij en andere onderzoekers in de diepe biosfeer hebben grotendeels gezocht naar microben die zich verstoppen in oceaansedimenten. “We weten heel weinig over de rotsmicroben,” zei ze. “Het is een van de laatste vragen in de diepe biosfeer: wat zit er in de harde rotsen?”

Op zoek naar antwoorden verpulverde Wang honderden kernmonsters aan boord van het schip, waarbij hij ze allemaal in een metalen reactorbuis of glazen fles plaatste. Ze verrijkte de monsters met een verscheidenheid aan voedingsmiddelen – een microbieel degustatiemenu dat geschikt was voor een onbekende diversiteit aan diëten. En vervolgens incubeerde ze de monsters bij verschillende temperaturen om te zien wat er zou groeien.

In totaal heeft ze bijna 800 incubaties opgezet en met hen op de foto geposeerd in het laboratorium aan boord “om mijn harde werk te tonen”, zei ze grinnikend. Op de foto staat elke centimeter van de tafel voor haar vol met glazen flessen, wat slechts een fractie is van haar totale aantal monsters.

De voorlopige resultaten van Wang laten in sommige monsters een overmaat aan methaan zien, maar of het gas afkomstig is van oprispingen van microben of van reagerende rotsen is nog niet duidelijk.

Wetenschappers op vele terreinen kijken reikhalzend uit naar de bevindingen van het team. “We zullen zeker een veel beter beeld krijgen van … welke chemische processen er daadwerkelijk plaatsvinden”, zei hij Yoshinori Miyazaki, een geofysicus aan het California Institute of Technology.

De opwinding en triomf rond het nieuwste werk is echter ook doortrokken van verdriet. Deze expeditie is een van de laatste voor de JOIDES-resolutie, dat eind 2024 met pensioen gaat na vier decennia van baanbrekend onderzoek in oceaanwateren over de hele wereld. Er is momenteel geen concreet plan om het schip te vervangen, wat een gapend gat achterlaat in het oceaanonderzoek voor Amerikaanse wetenschappers.

Gedurende zijn lange ambtstermijn zijn er expedities aan boord van de JOIDES-resolutie hebben meer dan 350 kilometer aan kernen uit de zeebodem gehaald. Verborgen in deze geologische schat liggen veel geheimen uit het verleden van onze planeet: verschuivingen in het klimaat, de chemie van de oceanen en misschien wel andere aanwijzingen over de oorsprong van het leven. Maar er zit nog meer informatie opgesloten in de rotsen van de zeebodem, wachtend om ontdekt te worden.