|
Udvidelse af livets grænser
Analyser af en nyligt opdaget type varmt væld økosystem i havbunden antyder nye muligheder for, hvordan livet udviklede sig
Alexander S. Bradley*
Nøglebegreber
Få steder på Jordens kontinenter mangler at blive udforsket og det er usandsynligt, at mange nye naturvidundere venter på opdagelse i et eller andet hjørne. Men under oceanets overflade er det en anden fortælling. Vi ved mere om Mars' facade end om de cirka 75 procent af vor egen planets overflade, der ligger under vandet. Ufortalte overraskelser venter os der. En sådan åbenbaring skete i december 2000. En ekspedition, der kortlagde et undersøisk bjerg kaldet Atlantis Massif, midtvejs mellem Bermuda og de Kanariske Øer og en halv mile under Nordatlantens overflade, faldt over en søjle af hvid klippe så høj som en tyveetagers bygning, der rejste sig fra havbunden. Ved brug af det fjernstyrede Argo II fartøj og det bemandede undervandsfartøj Alvin undersøgte videnskabsfolk den mystiske dannelse og tog prøver. Selv om tidsbegrænsninger indskrænkede deres undersøgelse til et enkelt Alvin dyk, var forskerne i stand til at samle nok information til at afgøre, at den hvide dannelse kun var en ud af mange sådanne strukturer i det område, der udsendte varmt havvand. De havde opdaget et felt med undersøiske varme kilder, som de kaldte Lost City Hydrothermal Field. Det var ulig noget, der nogensinde før var set, inkluderende de nu berømte sorte rygere. Den første rapport, som beskrev opdagelsen, blev offentliggjort i magasinet Nature i juli 2001 og sendte bølger af ophidselse gennem det videnskabelige samfund. Den ledende forfatter fra University of Washington, geologen Deborah S. Kelley, og hendes kolleger rejste mange fundamentale spørgsmål. Hvordan dannedes dette hydrotermiske felt? Hvilken slags organismer lever der og hvordan overlever de? I 2003 ledede Kelley en seks ugers ekspedition i fuld skala til Lost City for at finde ud af det. Efter års grundig analyse af de prøver, som blev indsamlet under ekspeditionen, begynder specialisterne nu at sammensætte fascinerende svar. Resultaterne fra Lost City har startet omvurderinger af længe gældende ideer om den kemi, der måske har dannet scenen for livets fremkomst på Jorden. Resultaterne har udvidet forskernes ideer om, hvor livet hinsides den Blå Planet måske kunne eksistere - og udfordret veletablerede ideer om, hvordan man skal lede efter det.
Videnskabsfolkene har kendt til undersøiske hydrotermiske væld siden 1970'erne. De sorte rygeres systemer er de mest velkendte; de forekommer ved bjergkammene midt i oceanerne - disse strenge af vulkaner, der ligger over pletter, hvor tektoniske plader trækkes væk fra hinanden. Vandet ved disse væld kan nå temperaturer på over 400 grader Celsius på grund af deres nærhed til smeltet klippe. Med en pH lig citronvand udvasker det skoldende vand sulfid, jern, kobber og zink, når det filtreres gennem de vulkanske klipper under havbunden. Når denne varme, sure væske så stiger tilbage til overfladen af havbunden udledes den gennem vældene i det kolde havvand, hvor de opløste metalsulfider hurtigt afkøles, regner ud af væsken og producerer en skyet blanding, der minder om bølgende sort røg. Disse metalsulfider samles til højere og højere skorstene ovenpå vældene. Til trods for deres fjendtlige kemi vrimler områderne omkring disse væld med eksotiske dyr, som gigantiske, rødnæsede Riftia rørorm, der mangler både mund og tarm, men som trives gennem symbiotisk forbindelse med indre bakterier, der fortærer giftig brintsulfid gas, som stammer fra vældene. Sammenlignet med det brutale sort ryger miljø er Lost City vældene uhyggeligt rolige. Placeret omkring 15 kilometer vest for grænsen mellem de tektoniske plader ved den Midtatlantiske Ryg er dette vældfelt på toppen af Atlantis Massif for fjernt til, at den opstigende magma kan opvarme væskerne til de skoldende temperaturer, man finder ved sorte rygere. I stedet opvarmes vandet ved cirkulation gennem den knapt varme klippe nedenunder og den højeste målte temperatur er kun 90 grader C. Lost City væskerne er heller ikke sure. De er basiske med en pH mellem 9 og 11 - lig en ammoniakopløsning i husholdningen. Da dette vand ikke nemt kan opløse høje koncentrationer af metaller som jern og zink, producerer Lost City ikke de metalsulfidskyer, der kendetegner sorte rygere. Lost City vældene er derimod rige på kalcium, som ved blanding med havvand producerer limsten. Denne limsten danner gigantiske hvide skorstene, hvoraf de største rejser sig næsten 60 meter over havbunden - væsentligt højere end den stolteste sort ryger skorsten. Den mærkelige kemi ved Lost City stammer fra dens enestående geologiske omgivelser, som har rod i selve planetens struktur. Forestil dig Jorden som en fersken. Huden repræsenterer skorpen, kødet er det underliggende, faste lag kappe og stenen står for den hede jernkerne. Ved den Midtatlantiske Ryg bliver skorpen langsomt trukket fra hinanden, idet Nordamerika og Afrika bevæger sig bort fra hinanden med sløve 25 mm om året. Adskillelsen af skorpen har eksponeret dele af Jordens kappe ved havbunden og opdrift af denne eksponerede kappe har skabt Atlantis Massif. Kappen består hovedsagelig af en klippe kaldet peridotit, som viser sig at være nøglen til Lost Citys særlige kemi. Når peridotit kommer i kontakt med vand, gennemgår den en kemisk reaktion kaldet serpentinisation. Idet havvand siver ned i massivets dybder omdannes peridotitten til serpentinit og de sivende vande bliver mere basiske som resultat af den reaktion. Ved den tid, hvor væskerne dukker op igen og blandes med oceanets vand, er de fyldt af kalcium frigjort under serpentinisationen. Det vigtigste af det hele er, at de nu er reducerede, hvilket betyder, at al ilten er blevet fjernet fra vandet og erstattet med energirige gasser som brint, metan og sulfid. Koncentrationerne af brint, især, er blandt de højeste, man nogensinde er stødt på i et naturligt miljø. Og det er her tingene begynder at blive virkelig interessante.
Brint er fuld af energi som konsekvens af dens evne til at overføre elektroner til andre forbindelser, som ilt, og frigive energi under processen. Forbindelser, der nemt kan frigive elektroner til andre forbindelser, beskrives noget forvirrende som "kemisk reducerede." Forskere har længe haft mistanke om, at reducerede gasser spillede en vigtig rolle i livets oprindelse på Jorden.
I 1920'erne foreslog den russiske biokemiker Alexander Oparin og den britiske evolutionsbiolog J.B.S. Haldane hver for sig, at Jordens primitive atmosfære kunne have været meget rig på reducerede gasser som metan, ammoniak og brint. Hvis atmosfæren havde høje koncentrationer af disse gasser, foreslog de, kunne de kemiske ingredienser, der krævedes for liv, være dannet spontant. Ideen blev mere troværdig adskillige årtier senere med det berømte eksperiment i 1953 af kemikerne Stanley Miller og Harold Urey fra University of Chicago. Ved at opvarme og aflade gnister gennem en blanding af reducerede gasser, var Miller og Urey i stand til at skabe en række organiske forbindelser (mest forbindelser indeholdende kulstof og brint), inkluderende aminosyrer, proteinernes byggesten brugt af alle livsformer på Jorden. I årene efter Miller-Urey eksperimentet konkluderede geologerne imidlertid, at den tidlige atmosfære ikke var nær så reduceret som duoen havde antaget. Forholdende, der skabte aminosyrer og andre organiske forbindelser i deres eksperiment, havde sandsynligvis aldrig eksisteret i atmosfæren.
Resultater: Livets vugge?
Men der er rigeligt af reducerede gasser i Lost Citys hydrotermiske væld. Kunne det tænkes, at for milliarder af år siden havde væld som disse de rette forhold til at producere de typer organiske forbindelser, der kræves til liv? Nogle geologer, der undersøger dette spørgsmål, mener det. Et antal studier, udført gennem det seneste årti, har antydet, at de kemiske reaktioner, der finder sted under serpentinisation, er ideelle til produktion af organiske forbindelser ud fra kultveilte. Hydrotermiske systemer magen til Lost City kunne måske have været primitive fabrikker, der udsendte metan, enkle organiske syrer og måske endda mere komplekse fedtsyrer - essentielle dele af alle organismers cellemembraner. Og vældene kunne have været i stand til at frembringe disse organiske forbindelser uden assistance fra levende organismer. Lost City er et naturligt laboratorium til afprøvning af disse ideer. I 2008 udgav kemikeren Giora Proskurowski fra Woods Hole Oceanographic Institution og hans kolleger en afhandling i magasinet Science, der demonstrerede, at de hydrotermiske væsker ved Lost City faktisk indeholder små organiske forbindelser som metan, ethan og propan. Andet arbejde antyder, at rektionerne i Lost City også producerer små organiske syrer som myresyre og acetat. Tilsammen bekræfter disse resultater, at de reducerede forhold ved Lost City kunne understøtte de typer kemiske reaktioner, der er nødvendige for at skabe organiske forbindelser ud fra uorganiske forbindelser - et simpelt, men kritisk, skridt i præbiotisk kemi. Dette ny arbejde fastslår, at nogle hydrotermiske væld er i stand til at producere i det mindste simple organiske forbindelser, mulige ingredienser til liv. Men Lost City er ikke de perfekte omgivelser for afprøvning af sådanne ideer, da karbonattårnene ikke er sterile kemiske reaktorer. Faktisk vrimler de med mikrobisk liv, hvilket rejser muligheden for, at disse mikrober kunne bidrage til dannelsen af organiske forbindelser i vældvæskerne. For at løse denne gåde skal vi se nærmere på selve mikroberne.
Mange mikroorganismer har udviklet evnen til at fortære den rigelige energi brint indeholder. Metanogener udgør en sådan gruppe. Som deres navn antyder producerer metanogener metan: den naturgas, som mange af os bruger til at opvarme vores hjem og koge vor føde. Det viser sig, at op til en tredjedel af mikroberne i Lost City er metanogener, der tilhører familien Methanosarcinales. Deres tilstedeværelse er ikke overraskende givet den rigelige mængde brint i vældvæskerne. Det bemærkelsesværdige er, at Lost City metanogener opererer uafhængigt af Solen. Næsten alt liv på Jorden er afhængigt af solenergi - være det mennesker, som afhænger af fotosyntetiske organismer til føde, eller planter og alger der fotosyntetiserer. Selv ved de sorte rygere, i oceanernes mørkeste dybder, afhænger livet af Solen. De mikrober, der støtter væksten af de gigantiske rørorm, kræver, f.eks., både svovlbrinte og ilt. Den endelige kilde til ilten er fotosyntetiske organismer langt ovenover. I kontrast hertil er alt, hvad Lost Citys metanogener behøver for at overleve, kultveilte sammen med flydende vand og peridotit, som reagerer og danner de råmaterialer, de kræver. Forskerne har fundet, at både geokemiske reaktioner stammende fra serpentinisation og de biologiske metanogeners aktivitet bidrager med metan til Lost Citys økosystem. Denne samtidige frembringelse af metan er måske ikke en tilfældighed. I en serie studier gennem de sidste par år undersøgte biokemikeren William Martin fra Heinrich-Heine University i Tyskland og geokemiker Michael Russell fra NASA Jet Propulsion Laboratory i Pasadena de præcise, kemiske trin, som kræves for at producere metan abiotisk, dvs., uden levende væsner i miljøet, som det i Lost City. De fandt, at hvert trin reproduceres i organismers biologiske stier, når de producerer metan. Ud fra dette arbejde foreslog Martin og Russell, at på den tidlige Jord producerede pladser som Lost City metan geokemisk og at tidlige livsformer måske helt enkelt har suppleret sig selv med disse trin, førende til det, der måske kunne have været oprindelsen til den første biologiske sti. Martin og Russell er ikke de første forskere til at foreslå, at livet måske kan være opstået ved en hydrotermisk væld. Den ide har været her et antal år. Støtte til den kommer ikke kun fra den fordelagtige kemi ved hydrotermiske systemer men også fra de evolutionære spor fundet i alle levende organismers genetiske materiale. Studiet af ribosomer - biologiske maskiner som cellen bruger til at oversætte informationen indkodet i kernesyrerne (DNA og RNA) til proteiner - har vist sig særligt oplysende i denne henseende. Ribosomerne selv er opbygget af både RNA og protein. Ved at sammenligne sekvenserne af de ribosomale byggesten, eller nukleotider, har forskerne konstrueret et stamtræ, der viser slægtskabet for alt liv på Jorden. Mange af de organismer, der er placeret nær træets rod, fortærer brint og bebor varme kilder med høj temperatur, enten på land eller på havbunden, hvilket viser, at den sidste universelle forfader til alt liv på Jorden måske også har beboet en varm kilde, muligvis i et miljø, der minder om Lost City Hydrothermal Field. Nogen kan lide det varmt
Geologer har grund til at have en mistanke om, at økosystemer som Lost City engang kan have været forholdsvis almindelige. Peridotit er blandt de mest udbredte typer klippe i solsystemet. På Jorden udgør det størstedelen af den øvre kappe. Skønt nydannet peridotit sjældent findes på jordoverfladen i dag, var den rigeligt tilstede for tre til fire milliarder år siden. Dengang var planeten meget varmere og forøget vulkanisme transporterede mere af den smeltede kappe op til overfladen. Peridotit udgjorde sandsynligvis størstedelen af klippen på den tidlige Jords havbund. Denne klippe ville have reageret med vand dengang, ligesom den gør nu. Varme, basiske omgivelser lig Lost City kan således have næret de første livsformer. I modsætning hertil ville de hede, sure forhold lig dem, man finder ved sorte rygere, sandsynligvis have været for fjendlige til at fostre livets opdukken. Resultaterne fra Lost City støtter også hypoteser om, hvor eller i vort solsystem livet kunne eksistere eller have eksisteret i fortiden. Enhver planet eller måne, der indeholder både peridotit og flydende vand - ingrdienserne nødvendige til serpentinisation - kunne tænkes at understøtte livsformer analoge til mikroberne ved Lost City. Vidnesbyrd om disse komponenter er stærkest på Mars og på Jupiters måne Europa. Faktisk har forskerne allerede detekteret metan i den moderne Mars atmosfære. Om den kommer fra mikrober eller kemiske reaktioner i planetens klipper - eller begge - forbliver imidlertid usikkert.
At gøre det kan vise sig at være vanskeligere end forskerne havde forestillet sig. De fleste af organismerne på livets træ er mikrober. Skønt vi kan studere sådanne organismers DNA og RNA sekvenser er det vanskeligt at finde en fossil optegnelse af små skabninger med tilfældige former. Til det formål har forskerne i de seneste årtier udviklet teknikker, der tillader undersøgelse af mikrobers udviklingshistorie ved at kombinere de geologiske spor, ikke for fysiske fossiler men for kemiske. Kemiske fossiler er molekylder, der kan spores til levende organismer og kan bevares som fossiler i klipper gennem millioner eller selv milliarder af år. De fleste kemiske fossiler udledes fra de lipider, der udgør cellemembraner. Skønt lipiderne ikke indeholder så megen information som DNA eller et fysisk fossil gør, er de pålidelige indikatorer for liv og kan bære strukturer, der er kendetegnende for de organismer, som producerede dem. Desuden er det kulstof, der udgør selve lipiderne, oplysende, fordi det indeholder en markør, som afslører, hvordan en organisme udtrak carbon fra sit miljø. Den markør er carbon 13, en forholdsvis sjælden form for grundstoffet, der ikke nedbrydes med tiden. Carbon i de fleste organismer inkluderer mellem 1 og 3,5 procent mindre carbon 13 end carbon i det carbon dioxid, der er opløst i havvand. Forskerne har derfor antaget, at carbon i de gamle klipper, der er forringet med denne mængde, stammede fra levende organismer. Og som følge af den regel kommer carbon fra gamle klipper, der ikke er forringet, fra abiotiske processer.
Men Lost City gør den ide til skamme. Mit arbejde med et hold forskere på Massachusetts Institute of Technology og på Woods Hole har vist, at nogle af de mest udbredte lipider fundet i Lost Citys karbonater er fra metanogener. Alligevel udviser disse lipider ingen carbon 13 forringelse overhovedet. I stedet er deres carbon 13 indhold, hvad man ville forvente fra materiale, der ikke stammede fra levende organismer. Hvordan kan det være? Brugen af carbon 13 til sporing af liv hviler på antagelsen, at der er mere carbon dioxid til rådighed i miljøet end der kan bruges. Så længe der er et overskud af carbon dioxid kan organismer indarbejde lettere carbon 12 molekyler, hvilke de foretrækker og diskriminere mod det tungere carbon 13. Men hvis carbon dioxid på en eller anden måde manglede, ville organismerne rapse hvert cabon molekyle de kunne få, om det så var den lette eller tunge variant. Og hvis det skete ville den relative mængde carbon 13 i organismerne ikke være anderledes end den i miljøet. Livets kemiske spor ville være usynligt. Denne proces er nøjagtigt, hvad der sker ved Lost City vældene. Ulig næsten ethvert andet miljø på Jorden, hvor carbon dioxid altid er til rådighed, har brint dominansen ved Lost City og det er knapt med carbon dioxid, hvilket har den virkning, at organismerne dér udtrækker carbon isotoper uden skelnen.
Problemet med usynlighed gælder også for metan. Sædvanligvis udviser metan produceret af organismer en ekstrem udtynding i carbon 13 i modsætning til metan fra geokemiske reaktioner. Men i serpentinisationerende systemer dukker denne forskel ikke altid op. Metanen i Lost City vældvandet mangler den sigende carbon 13 udtynding. Forskerne ved fra observationer, at denne metan er en blanding af geologiske og biologiske produkter. Carbon isotoper alene er dog ikke i stand til at lave denne skelnen
Hvis liv har udviklet sig andresteder i solsystemet, er det bedst at vædde på, at det består af mikrobiske metanogener, der lever på steder, hvor klippen bliver serpentiniseret. Vi ved, at metan på en eller anden måde bliver produceret på Mars. NASA planlægger at opsende Mars Science Laboratory i 2011 og en af dens missioner vil være at bestemme metans carbon isotop forhold. En stærk udtynding af carbon 13 ville være et tegn på, at organismer bebor den Røde Planet. Alligevel demonstrerer Lost City, at hvis man ikke finder det signal, kan det næppe tages som vidnesbyrd om fravær. Faktisk giver denne opdagelse af mikrober, der trives i denne type hidtil ukendte økosystem endnu mere grund til at forvente, at forskerne en dag vil finde tegn på liv hinsides Jorden.
Lost City kontra Sorte Rygere
Dawn in the Deep: The Bizarre World of Hydrothermal Vents. Richard A. Lutz i National Geographic, Vol. 203, No. 2, siderne 92-103; Februar 2003.
The Mystery of Methane on Mars and Titan. Sushil K. Atreya i Scientific American, Vol. 296, No. 5, siderne 24-43; Maj 2007. [Mysteriet om metan på Mars & Titan].
Lost City Experdition Web site: www.lostcity.washington.edu
*Alexander S. Bradley færdiggjorde sin Ph.D. i geokemi på Massachusetts Institute of Technology i 2008. Hans disputats forskning fokuserede på at undersøge organiske forbindelser i de hydrotermiske systemer ved Lost City og i Yellowstone National Park. Bradley er i øjeblikket Agouron Institute fellow på Harvard University, hvor han udfører forskning, der bygger bro mellem felterne mikrobiologi og geokemi og arbejder på at fremme teknikkerne til forståelse af Jordens historie og miljøet.
Fra Expanding the Limits of Life, Scientific American, December 2009, siderne 38-43.
19. juni, 2010.
|
