Gần nửa đêm ngày 26 tháng 1961 năm 240, làn nước đen kịt vỗ vào thân một chiếc sà lan hải quân đã được cải tiến khi nó lắc lư một cách buồn nôn ở Thái Bình Dương. Con tàu vừa đến địa điểm này, cách bán đảo Baja khoảng XNUMX km, sau ba ngày chống chọi với biển động dữ dội đến mức thủy thủ đoàn buộc các thiết bị vào boong bằng những sợi xích nặng nề, “giống như một con voi hung dữ”, tiểu thuyết gia John Steinbeck, người đã ở trên tàu, sau này viết cho Cuộc sống tạp chí.

Trở lại bờ, có tin đồn về mục tiêu của thủy thủ đoàn. Một số suy đoán rằng họ đang săn tìm kim cương hoặc kho báu bị chìm. Những người khác nghi ngờ rằng họ đang tìm kiếm một nơi để giấu tên lửa dưới đáy biển. Nhưng mục tiêu của nhóm thậm chí còn cao cả hơn những tin đồn hoang đường nhất. Kế hoạch - được ấp ủ trong bữa sáng có cồn tại nhà La Jolla của nhà địa chất Walter Munk - là khoan một lỗ sâu đến mức nó có thể xuyên qua lớp vỏ Trái đất và chạm tới lớp phủ của hành tinh, một lớp đá nóng nằm giữa lớp vỏ Trái đất và cốt lõi của nó.

Giờ đây, hơn 62 năm sau nỗ lực được gọi là Dự án Mohole, các nhà khoa học vẫn chưa thành công khi khoan thành công qua một phần nguyên vẹn của lớp vỏ Trái đất. Nhưng mùa xuân vừa qua, một nhóm nghiên cứu trên con tàu khoan đã hàng chục năm tuổi Độ phân giải JOIDES đã hoàn thành điều tốt nhất tiếp theo: Họ đã lấy được một kho đá manti từ một khu vực dưới đáy biển Đại Tây Dương, nơi lớp vỏ đặc biệt mỏng. Địa điểm này nằm trên đỉnh một ngọn núi ngầm có tên là Atlantis Massif, nơi sự dịch chuyển chậm của các mảng kiến ​​tạo đã đẩy các khối đá manti đến gần bề mặt hơn.

Mặc dù lớp phủ chiếm phần lớn hành tinh của chúng ta nhưng đá của nó thường bị chôn vùi hàng km dưới bề mặt, khiến việc lấy mẫu mới trở nên khó khăn. Nhưng những tảng đá manti như những tảng đá được khai quật vào mùa xuân năm ngoái có thể cung cấp manh mối về hoạt động sâu bên trong Trái đất và giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về vũ điệu kiến ​​​​tạo cơ bản đối với thế giới của chúng ta.

Những tảng đá mới được thu thập cũng có thể chứa manh mối về một đặc điểm xác định khác của hành tinh chúng ta – sự sống.

Khi nước biển gặp đá manti, một loạt phản ứng hóa học sẽ tạo ra một loại hỗn hợp có thể tạo ra các hợp chất hữu cơ cần thiết để đốt cháy những tia lửa đầu tiên của sự sống. Các nhà khoa học đã tìm thấy dấu hiệu của các phân tử hữu cơ nhỏ được tạo ra mà không cần sự trợ giúp của vi sinh vật tại hệ thống miệng phun thủy nhiệt của Thành phố Lost, một đô thị địa chất rộng lớn trên đỉnh Atlantis Massif. Một số nhà khoa học từ lâu đã suy đoán rằng những môi trường như vậy có thể đã ươm mầm những dạng sống sớm nhất trên hành tinh chúng ta. Giờ đây, lỗ khoan gần đây của nhóm nghiên cứu sâu hơn một km dưới đáy biển đã chạm tới nơi dường như là trái tim đang đập của hệ thống thủy nhiệt này.

“Điều đó mở ra một thế giới đầy khả năng cho chúng ta,” nói Susan Lang, một nhà hóa sinh học tại Viện Hải dương học Woods Hole, người đồng dẫn đầu đoàn thám hiểm.

Hiện đã có gợi ý rằng nồng độ khí hydro cao trong nước giếng khoan có thể dùng để cung cấp năng lượng cho quá trình tổng hợp hữu cơ. Phòng thí nghiệm tự nhiên này hứa hẹn sẽ giúp nhóm tìm ra nguồn gốc của món hầm mang lại sự sống chảy qua các tòa tháp của Thành phố đã mất, cho phép họ nghiên cứu hóa học hữu cơ của một thế giới không có sinh vật - hóa học của sự sống trước khi sự sống tồn tại hoặc khi sự sống tồn tại. vô cùng khan hiếm. Một số vi khuẩn sống sót trong điều kiện khắc nghiệt dưới bề mặt cũng có thể cung cấp manh mối về cách những sinh vật đầu tiên kiếm sống, cuối cùng giúp các nhà khoa học giải mã các bước then chốt biến các hợp chất hóa học thành sinh vật.

Xây dựng một thành phố đã mất

Lang vẫn còn nhớ ngày đó, khoảng hai thập kỷ trước, khi cô được mời ngồi trên con tàu tiến hành nghiên cứu chi tiết đầu tiên về các lỗ thông hơi của Thành phố đã mất. Những giọt nước mắt phấn khích tràn ngập trong mắt cô. Lang, lúc đó đang là nghiên cứu sinh tại Đại học Washington, cho biết: “Tôi đồng ý mà không hỏi ý kiến ​​ai”.

Sự nhiệt thành của cô phản ánh bản chất cách mạng của Thành phố đã mất, nơi có những cột nước nóng trong mờ, lung linh lần đầu tiên được các nhà khoa học trên tàu nghiên cứu phát hiện Atlantis vào năm 2000. Vào thời điểm đó, tất cả các hệ thống miệng phun thủy nhiệt được biết đến khác đều tối tăm, với các ống khói bị đen do sunfua núi lửa bơm những luồng chất lỏng dày đặc, đầy khói vào đại dương. Nhưng những ngọn tháp của Lost City lại có màu trắng ma quái.

Như các nhà khoa học đã sớm biết được, màu sáng bắt nguồn từ phản ứng giữa nước biển và đá nằm trong khối núi Atlantis. Cao hơn một chút so với Núi Rainier, ngọn núi ngầm này phần lớn được tạo thành từ Peridot, một loại đá chiếm ưu thế ở lớp phủ phía trên. Ngọn núi được hình thành từ sự dịch chuyển êm đềm của rặng núi giữa Đại Tây Dương gần đó, nơi các mảng kiến ​​tạo Bắc Mỹ và châu Phi từ từ tách ra. phong trào này lột bỏ lớp vỏ trên từ đỉnh núi đang nhô lên, làm lộ ra những dải lõi Peridotit của nó.

Peridotite thường tồn tại dưới lớp vỏ hàng dặm. Nó không ổn định khi ở gần bề mặt Trái đất, nơi nước biển có thể len ​​lỏi vào các vết nứt bên trong đá. Khi điều đó xảy ra, một loại khoáng chất có tên là olivin chiếm ưu thế trong Peridotite sẽ dễ dàng phản ứng với các phân tử nước, tạo ra một loạt các bước hóa học gọi là quá trình Serpentin hóa. Quá trình này làm cho nước có tính kiềm cao, vì vậy khi chất lỏng từ kẽ hở hòa trộn với nước biển trong lành, các khoáng chất nhạt kết tủa và tạo nên những ngọn tháp tuyệt đẹp của Lost City, cao như một tòa nhà chọc trời. Tòa nhà 20 tầng.

Nhưng một sản phẩm phụ khác của quá trình secpentin hóa, hydro, đã thu hút Lang và các nhà khoa học khác đến địa điểm này trong nhiều thập kỷ. Trong điều kiện thích hợp, khí hydro có thể thúc đẩy các phản ứng hóa học đơn giản, chẳng hạn như biến carbon dioxide và nước thành các hợp chất hữu cơ nhỏ mà không cần sự trợ giúp của vi sinh vật (hoặc phi sinh học). Các phản ứng tiếp tục có thể tạo ra các phân tử hữu cơ lớn hơn và phức tạp hơn, có lẽ là tạo ra chỉ là sự kết hợp đúng đắn của các thành phần — đường, chất béo, axit amin — để nấu chín những dạng sống sớm nhất. Ngoài ra, hydro và các chất hữu cơ nhỏ có thể cũng đã cung cấp thức ăn cho những cư dân đầu tiên trên Trái đất. Lang nói: “Hydro giống như chìa khóa của mọi thứ.

Loại khí này có thể phổ biến hơn trên Trái đất sơ khai, khi thành phần khoáng chất trên bề mặt khác với ngày nay, khiến cho các phản ứng secpentin hóa trở nên phổ biến hơn.

Tại Atlantis Massif, Lang và các đồng nghiệp của cô muốn biết hợp chất hữu cơ nào có thể hình thành mà không cần sự trợ giúp của vi sinh vật và vi khuẩn nào có thể tồn tại trong bữa tiệc buffet bất thường dưới lòng đất này. Kết quả có thể đưa ra manh mối về cách các dạng sống sớm nhất kiếm sống cũng như đặc tính hóa học có trước những vi khuẩn cổ xưa đó.

Nhưng ngày nay sự sống có rất nhiều trên bề mặt Trái đất, cả trên và dưới nước, khiến việc xác định các hợp chất được tạo ra mà không có sự trợ giúp của sinh học trở nên khó khăn. Điều đó đặc biệt đúng ở Lost City. “Bạn có thể thấy những màng sinh học có mùi hôi mọc khắp các ống khói đó,” nói. William Brazelton, một nhà vi trùng học tại Đại học Utah và một JOIDES thành viên của đội.

Vì vậy, các nhà nghiên cứu đặt mục tiêu vào các thế giới bên dưới đáy biển, nơi vi khuẩn thưa thớt và oxy khan hiếm, tạo ra những điều kiện tương tự như Trái đất sơ khai. Như Brazelton đã nói, “Chúng ta cần phải đi sâu hơn theo đúng nghĩa đen”.

Tìm phòng thí nghiệm tự nhiên

Vào những năm 1960, Dự án Mohole đánh dấu sự khởi đầu của những nỗ lực thăm dò độ sâu chưa được khám phá trên hành tinh của chúng ta trong thời kỳ “khoa học anh hùng”, cho biết. Damon Teagle, một nhà địa hóa học tại Đại học Southampton và là cựu chiến binh của nhiều cuộc thám hiểm khoa học khoan đại dương.

Cái tên này là một cách chơi chữ về điểm gián đoạn Mohorovičić, hay Moho, xác định ranh giới giữa lớp vỏ và lớp phủ. Dưới các lục địa, Moho có thể được tìm thấy ở độ sâu hơn 30 km; dưới đáy biển, nó gần 7 km. Vì điều này, các đội nhắm vào lớp phủ thường chọn khoan từ tàu.

Dự án Mohole thậm chí còn không đạt được mục tiêu của mình, chỉ nhàm chán 179 mét trầm tích và chỉ 4 mét đá đáy biển. Tuy nhiên, ngay cả nỗ lực đó cũng tiết lộ rất nhiều thông tin về hành tinh của chúng ta, bao gồm cả thực tế rằng ẩn dưới lớp trầm tích đáy biển là những tảng đá núi lửa tương đối trẻ - một phát hiện mà sau này được dùng làm bằng chứng quan trọng trong trường hợp kiến ​​tạo mảng. Nó cũng tạo ra các công nghệ phát triển thành các hệ thống mà các nhà khoa học vẫn sử dụng, bao gồm cả một số công nghệ trên tàu. Độ phân giải JOIDES mùa xuân vừa qua.

Tuy nhiên, ngay cả ngày nay, việc khoan dưới đại dương sâu vẫn là một thách thức vô cùng lớn. Thứ nhất, việc khoan xuyên qua đá cứng nhanh chóng làm mòn mũi khoan, buộc phải thay đổi mũi khoan thường xuyên và cần phải khoan lại lỗ khoan nhỏ tương tự từ đó. một con tàu bồng bềnh trên mặt nước hàng trăm, hàng nghìn mét, chẳng khác nào kim đâm vào lỗ kim. Tệ hơn nữa, chuyến thám hiểm vào mùa xuân năm ngoái đã có một khởi đầu không mấy suôn sẻ. Trong khi nhóm đang khoan lỗ thí điểm đầu tiên, mũi khoan của họ bị kẹt và để ngăn con tàu neo đậu mãi mãi tại Atlantis Massif, thủy thủ đoàn đã cắt đứt kết nối bằng một vụ nổ thuốc nổ. Sau đó, một phần của hệ thống cho phép mũi khoan đi vào lại lỗ khoan nhiều lần đã vỡ thành từng mảnh.

Với một chút sáng tạo, cuối cùng họ đã khoan được tại địa điểm hiện được gọi là U1601C, nằm ở độ sâu gần 850 mét nước. Và đó là lúc vận may của họ thay đổi.

Trong hầu hết các chuyến thám hiểm khoan đáy biển, tiến độ diễn ra chậm, với các lõi đá được kéo lên boong cứ sau ba giờ hoặc lâu hơn. Nhưng một khi JOIDES nhóm đã bắt đầu hoạt động, họ đang nâng lõi mới lên tàu gần như mỗi giờ. Các nhà khoa học đang xử lý lõi hầu như không thể theo kịp và trước khi họ biết điều đó, mũi khoan đã va vào lớp đá phủ.

Trước chuyến thám hiểm này, khoảng cách xa nhất mà con người từng khoan vào lớp đá phủ đã được thay đổi là 200 mét. Nhưng JOIDES nhóm đã đi hết quãng đường đó chỉ trong vài ngày, cuối cùng thì thật nhàm chán 1,267.8 mét chủ yếu là Peridot. Teagle, người không tham gia vào dự án gần đây, cho biết: “Thật là đáng chú ý.

Đối với Lang, một trong những điều ngạc nhiên lớn nhất nằm sâu trong lỗ khoan. Sau khi loại bỏ lõi cuối cùng, phi hành đoàn xả nước sạch vào lỗ trống và để chất lỏng và khí tự nhiên thấm trở lại sau hơn 72 giờ. Sau đó, họ thu thập nước giếng khoan ở nhiều độ sâu khác nhau và chia nó ra để thực hiện hơn chục thử nghiệm hóa học, bao gồm cả phân tích khí hydro.

Cùng lắm, Lang hy vọng sẽ tìm thấy một lượng nhỏ khí hydro ở sâu dưới lòng đất. Nhưng mẫu nước sâu nhất chứa nhiều khí đến mức khi nổi lên, các bong bóng hình thành trong ống, một hiện tượng tương tự như hiện tượng xảy ra khi bạn mở một lon soda mới.

“Chúng tôi giống như, trời ơi,” Lang nói, nhớ lại phản ứng của chính cô và của Brazelton. “Có rất nhiều lời chửi thề liên quan.”

Vùng nước chứa đầy hydro, nhiên liệu cần thiết để cung cấp năng lượng cho các phản ứng phi sinh học.

Các khối xây dựng của các khối xây dựng

Hơn sáu tháng sau chuyến thám hiểm, nhóm nghiên cứu vẫn đang xử lý số lượng mẫu khổng lồ - nghiên cứu thành phần hóa học của nước, xác định vi khuẩn, đặc tính của đá, v.v. “Mọi người sẽ phân tích toàn bộ bảng chữ cái về các nguyên tố trên những tảng đá này,” nói. Andrew McCaig, một nhà địa chất tại Đại học Leeds, người đồng dẫn đầu đoàn thám hiểm.

Các mô hình sơ bộ gợi ý rằng nhiệt độ gần đáy lỗ khoan thậm chí có thể lên tới 122 độ C, giới hạn hiện được biết đến cho sự sống (mặc dù một số nghiên cứu gợi ý rằng giới hạn có thể còn cao hơn nữa). Lang cảnh báo rằng các mô hình cần được xác nhận vì chúng dựa trên các phép đo được thực hiện khi nhiệt độ lỗ khoan bị giảm nhẹ do dòng nước mát tuần hoàn trong quá trình khoan. Tuy nhiên, nếu các điều kiện được xác nhận là cực kỳ khắc nghiệt như vậy thì độ sâu sẽ cho phép các nhà khoa học nghiên cứu các phản ứng hóa học thúc đẩy sự sống mà không bị ảnh hưởng bởi vi khuẩn.

Đây sẽ là một bước tiến quan trọng đối với các nhà khoa học nghiên cứu về nguồn gốc nước của sự sống. “Trên Trái đất ngày nay, thật khó để chứng kiến ​​hóa học phi sinh học hoặc tiền sinh học vì sự sống chiếm ưu thế; cuộc sống ở khắp mọi nơi,” nói Sà lan Laurie, một nhà sinh vật học vũ trụ tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA, người không tham gia chuyến thám hiểm.

Các phân tích ban đầu cũng cho thấy axit hữu cơ nhỏ có mặt trong nước giếng khoan. Formate là một trong những hợp chất đơn giản nhất có thể hình thành một cách phi sinh học, từ các phản ứng giữa carbon dioxide và hydro, và nó có thể đánh dấu bước khởi đầu hướng tới những tia sáng đầu tiên của sự sống trên Trái đất sơ khai.

Lang nói: “Đó là nguyên liệu thô để xây dựng các khối xây dựng. Các phản ứng phi sinh học tiếp tục với formate có thể tạo ra các hợp chất hữu cơ lớn hơn như axit amin, có thể kết hợp với nhau thành các phân tử cần thiết cho sự sống, chẳng hạn như enzyme và các protein khác.

Nhưng phần lớn bức tranh hóa học vẫn còn mờ nhạt ở Atlantis Massif. Formate sâu trong lỗ khoan có thể đã hình thành mà không có sự trợ giúp của vi sinh vật, giống như ở lớp dưới bề mặt nông hơn gần đó, nhưng cần phải thử nghiệm thêm để chắc chắn. Nước cũng chứa khí metan, một hợp chất mà một số nhà khoa học cho rằng rất quan trọng đối với quá trình trao đổi chất ban đầu và là hợp chất có thể được tạo ra một cách phi sinh học từ các phản ứng với hydro. Nhưng khí mêtan hình thành như thế nào ở Lost City lại là một bí ẩn khác - nó “phức tạp và khó hiểu”, Brazelton nói.

Barge giải thích, việc xác định các phản ứng phi sinh học trong tự nhiên có thể cung cấp thông tin cho các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm trong tương lai nhằm kiểm tra hóa học tiền sinh học, nơi các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh các điều kiện để mô phỏng chặt chẽ hơn Trái đất sơ khai hoặc các thế giới khác. “Lost City là một nơi thực sự đặc biệt,” cô nói.

Săn lùng vi khuẩn

Ngay cả khi lỗ khoan sâu không thiếu sự sống, số lượng lõi đá được phục hồi gần như chưa từng có sẽ giúp các nhà khoa học liên kết sự thay đổi về thành phần hóa học của nước và các loại đá với một số vi khuẩn có thể tồn tại dưới lòng đất. Nghiên cứu cách vi khuẩn tồn tại trong bối cảnh nguồn tài nguyên dưới bề mặt khan hiếm – có lẽ bằng cách ăn hydro và các hợp chất được hình thành phi sinh học khác – có thể giúp làm sắc nét bức tranh của chúng ta về cuộc sống ban đầu.

Đặc biệt, Brazelton đang tìm kiếm các enzyme cụ thể mà vi khuẩn sử dụng để biến hydro và các hợp chất hữu cơ nhỏ thành năng lượng. Brazelton nói: “Toàn bộ ý tưởng ở đây là bạn có chất hóa học diễn ra trong đá và đến một lúc nào đó, chất hóa học đó biến thành sự sống”. Những enzyme đó có thể chỉ là chiếc nút giúp các nhà nghiên cứu tua lại đồng hồ tiến hóa để giải mã quá trình trao đổi chất sớm nhất diễn ra như thế nào.

Những nỗ lực khác tập trung vào việc ủ các mẫu từ đá và cố gắng bắt các vi khuẩn sâu đang hoạt động, giải thích. Fengping Wang, nhà địa vi sinh học dẫn đầu công trình này tại Đại học Giao thông Thượng Hải. Wang đã nghiên cứu sự sống dưới lòng đất trong gần hai thập kỷ, nhưng cô và các nhà nghiên cứu sinh quyển sâu khác chủ yếu tìm kiếm các vi khuẩn ẩn náu trong trầm tích đại dương. Cô nói: “Chúng tôi biết rất ít về các vi khuẩn trong đá. “Đó là một trong những câu hỏi cuối cùng trong sinh quyển sâu: Có gì trong đá cứng?”

Để tìm câu trả lời, Wang đã nghiền nát hàng trăm mẫu lõi trên tàu, đặt từng mẫu vào ống phản ứng kim loại hoặc chai thủy tinh. Cô ấy đã bổ sung các mẫu với nhiều loại thực phẩm khác nhau - một thực đơn nếm thử vi sinh vật phù hợp với nhiều chế độ ăn kiêng chưa biết. Sau đó cô ủ các mẫu ở các nhiệt độ khác nhau để xem mẫu nào sẽ phát triển.

Nhìn chung, cô đã thiết lập gần 800 vườn ấp và chụp ảnh với chúng trong phòng thí nghiệm trên tàu “để thể hiện sự chăm chỉ của mình”, cô cười khúc khích nói. Trong ảnh, mỗi inch trên chiếc bàn trước mặt cô đều chứa đầy chai thủy tinh, chỉ là một phần nhỏ trong tổng số mẫu của cô.

Kết quả sơ bộ của Wang cho thấy lượng khí mê-tan dư thừa trong một số mẫu, nhưng liệu khí này đến từ vi khuẩn ợ hơi hay từ đá phản ứng vẫn chưa rõ ràng.

Các nhà khoa học trên nhiều lĩnh vực đang háo hức chờ đợi phát hiện của nhóm. “Chúng tôi chắc chắn sẽ có cái nhìn rõ hơn về… những quá trình hóa học thực sự đang diễn ra,” cho biết Yoshinori Miyazaki, một nhà địa vật lý tại Viện Công nghệ California.

Tuy nhiên, sự phấn khích và chiến thắng xung quanh tác phẩm mới nhất cũng nhuốm màu buồn bã. Cuộc thám hiểm này là một trong những chuyến cuối cùng của Độ phân giải JOIDES, sẽ ngừng hoạt động vào cuối năm 2024 sau bốn thập kỷ nghiên cứu đột phá về vùng biển trên khắp thế giới. Hiện tại không có kế hoạch cụ thể nào để thay thế con tàu, điều này để lại một lỗ hổng trong nghiên cứu đại dương cho các nhà khoa học Mỹ.

Trong nhiệm kỳ dài của nó, các cuộc thám hiểm trên tàu Độ phân giải JOIDES đã thu hồi được hơn 350 km lõi từ đáy biển. Ẩn giấu trong kho địa chất này là nhiều bí mật về quá khứ của hành tinh chúng ta - những thay đổi về khí hậu, hóa học đại dương và có lẽ là những manh mối khác về nguồn gốc sự sống. Nhưng thậm chí còn nhiều thông tin hơn nữa vẫn bị nhốt trong những tảng đá dưới đáy biển, chỉ chờ được khám phá.