Ζωή χωρίς φως – Ίχνη χημειοσύνθεσης σε ορυκτά και πετρώματα που σχηματίζονται μικροβιακά

Περίπου πριν από 4 δισεκατομμύρια χρόνια, η πρώτη ζωή στη Γη χρησιμοποίησε ενέργεια από την οξείδωση μειωμένων χημικών ενώσεων – έναν τρόπο παραγωγής βιομάζας που αναφέρεται ως χημειοσύνθεση.

Η φωτοσύνθεση, ιδιαίτερα με τη μορφή της οξυγονικής φωτοσύνθεσης, άρχισε σύντομα να είναι ο κυρίαρχος τρόπος πρωτογενούς παραγωγής στη Γη μετά την εμφάνισή της. Ωστόσο, τα οικοσυστήματα που εξακολουθούν να διατηρούνται από τη χημειοσύνθεση στη Γη σήμερα έχουν προσελκύσει αυξανόμενο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια.

Με την ανακάλυψη των υδροθερμικών αεραγωγών και των καταπράσινων ζωικών κοινοτήτων τους κατά μήκος των απλωμένων κορυφογραμμών στον βαθύ ωκεανό, οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι η χημική ενέργεια από το εσωτερικό της Γης διατηρεί τροφικούς ιστούς που είναι σε μεγάλο βαθμό ανεξάρτητοι από τη φωτοσυνθετική πρωτογενή παραγωγή. Η αναγνώριση του μεγάλου βαθμού στον οποίο η χημειοσύνθεση συντηρεί τις μικροβιακές και μεταζωικές κοινότητες έχει αλλάξει τις τρέχουσες αντιλήψεις μας για το πώς ξεκίνησε η ζωή στη Γη.

Έρευνα σε οικοσυστήματα που βασίζονται στη χημειοσύνθεση αποκάλυψε ότι το ανώτερο όριο θερμοκρασίας της ζωής είναι πολύ πάνω από 100°C. Η ζωή, σε αυτό που αναφέρεται ως Βαθιά Βιόσφαιρα, τροφοδοτείται από τη χημειοσύνθεση στους πυριγενείς φλοιούς. Τέλος, όταν οι αστροβιολόγοι αναζητούν στοιχεία ύπαρξης ζωής σε άλλα ουράνια σώματα, αναζητούν κυρίως ίχνη χημειοσυνθετικής ζωής σε πλανήτες και φεγγάρια όπως ο Άρης, η Ευρώπη και ο Εγκέλαδος.

Τρόπος αναζήτησης βιουπογραφών

Τα ίχνη ζωής – που συνήθως αναφέρονται ως βιουπογραφές ή βιοδείκτες – έρχονται με τη μορφή απολιθωμάτων σώματος, ιχνών απολιθωμάτων, μορίων και κατανομής αφθονίας ορισμένων σταθερών ισοτόπων. Δεδομένου ότι οι προκαρυώτες συνήθως δεν διατηρούνται ως απολιθώματα σώματος, η αναζήτηση για ίχνη ζωής στα πετρώματα μιας πρώιμης Γης, στο βαθύ υπόγειο και σε άλλα ουράνια σώματα επικεντρώνεται σε βιογενή μόρια και σταθερά πρότυπα ισοτόπων. Ενώ τα τελευταία τείνουν να είναι σταθερά σε γεωλογικές χρονικές κλίμακες, τα βιογενή οργανικά μόρια καταστρέφονται πολύ πιο εύκολα.

Τα μοτίβα στοιχείων ύποπτων βιογενών ορυκτών και πετρωμάτων μπορεί να είναι μια εναλλακτική βιουπογραφή. Αν και σπάνια είναι τόσο συγκεκριμένα και διαγνωστικά όσο ορισμένα βιογονικά μόρια, ορισμένα Βακτήρια και Αρχαία είναι γνωστό ότι εμπλουτίζουν ορισμένα στοιχεία σε βαθμό που τα μοτίβα των στοιχείων γίνονται βιογραφική υπογραφή.

Μια νέα βιουπογραφή προκαρυωτικών που οξειδωτικά μεθανίου

Εκτός από τους υδροθερμικούς αεραγωγούς, οι διαρροές ψυχρού μεθανίου ευθυγραμμισμένες κατά μήκος των ηπειρωτικών περιθωρίων των ωκεανών του κόσμου είναι ένα hotspot χημειοσύνθεσης. Στις διαρροές μεθανίου, μια κοινοπραξία Archaea και Bacteria είναι υπεύθυνη για την οξείδωση του μεθανίου. Αυτοί οι προκαρυώτες δεν μπορούν να ταυτοποιηθούν μόνο με μικροβιολογικές τεχνικές όσο είναι ζωντανοί, αλλά μπορούν επίσης να αναγνωριστούν σε αρχαίους βράχους από υπογραφές ισοτόπων σταθερού άνθρακα και σταθερά βιογονικά μόρια, τους λεγόμενους βιοδείκτες λιπιδίων.

Τώρα περιγράφουμε μια νέα προσέγγιση για την αναγνώριση της προηγούμενης παρουσίας των Αρχαίων και των Βακτηρίων που εμπλέκονται στην οξείδωση του μεθανίου, μελετώντας τους ασβεστόλιθους που σχηματίστηκαν στις διαρροές μεθανίου πριν από 300 εκατομμύρια χρόνια και μετά. Ανθρακικά ανόργανα άλατα που προκύπτουν αμέσως από το μεταβολισμό των προκαρυωτών που καταναλώνουν μεθάνιο αποκαλύπτουν μια κατανομή ιχνοστοιχείων μετάλλων που αντανακλά την πρόσληψη μετάλλων από βιομεμβράνες της κοινοπραξίας οξείδωσης μεθανίου. Ο σχηματισμός ορυκτών σε τέτοιες βιομεμβράνες βρέθηκε ότι συνοδεύεται από έναν ισχυρό εμπλουτισμό των ελαφρών στοιχείων σπάνιων γαιών, τα οποία είναι γνωστό ότι δεσμεύονται κατά προτίμηση από οργανική ύλη. Τα καλά διατηρημένα ανθρακικά ορυκτά που καθιζάνουν σε βιομεμβράνες στις διαρροές μεθανίου δεν χαρακτηρίζονται μόνο από τον εμπλουτισμό ελαφρών στοιχείων σπάνιων γαιών, αλλά εξακολουθούν να περιέχουν περισσότερο οργανικό άνθρακα από οποιαδήποτε άλλα συστατικά των τοπικά σχηματισμένων πετρωμάτων.

Ωστόσο, ανάλογα με το πόσο σοβαρά έχουν επηρεαστεί τα πετρώματα που μελετήθηκαν από τις διεργασίες αλλοίωσης μετά το σχηματισμό τους στις θαλάσσιες διαρροές, το απόθεμα πρωτογενών ιχνοστοιχείων μπορεί να τεθεί σε κίνδυνο. Αν και μια τέτοια μεταγενέστερη αλλοίωση μπορεί να διαγράψει τη βιουπογραφή ιχνοστοιχείων που ανακαλύφθηκε πρόσφατα στα ορυκτά που σχηματίζονται στις διαρροές, μπορεί να εκτιμηθεί ο βαθμός αλλοίωσης στα πετρώματα που μελετήθηκαν και έτσι να επαληθευτεί η βιογονικότητα της κατανομής ιχνοστοιχείων.

Μελλοντική έρευνα

Δεν είναι η πρώτη φορά που μια νέα βιουπογραφή ανακαλύπτεται σε αρχαίους βράχους προτού αναγνωριστεί στα σύγχρονα περιβάλλοντα. Πρέπει να ελεγχθεί εάν τα ανθρακικά πετρώματα που σχηματίζονται στις θαλάσσιες διαρροές σήμερα δείχνουν τον ίδιο εμπλουτισμό ελαφρών στοιχείων σπάνιων γαιών όταν λαμβάνει χώρα η ανοργανοποίηση σε βιομεμβράνες. Ωστόσο, τέτοιες μελέτες δεν πρέπει να περιορίζονται στην επίδραση της ανοργανοποίησης βιοφίλμ των προκαρυωτικών που οξειδωτικά μεθανίου, αλλά θα πρέπει επίσης να διερευνήσουν άλλα περιβάλλοντα όπου οι απότομες μικροβιακές διαβαθμίσεις ευνοούν την ανάπτυξη διαφορετικών τύπων σε βιομεμβράνες ανοργανοποίησης. Καθώς διατίθενται όλο και πιο ιδανικά ανεξάρτητες βιουπογραφές, αυξάνονται οι πιθανότητες για γεωβιολόγους και αστροβιολόγους να ανασυνθέσουν την εξέλιξη της μικροβιακής ζωής στη Γη και πιθανώς πέρα ​​από αυτήν.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Στοιχεία σπάνιων γαιών ως ιχνηθέτες για μικροβιακή δραστηριότητα και πρώιμη διαγένεση:Μια νέα προοπτική από ανθρακικά τσιμέντα αρχαίων κοιτασμάτων μεθανίου, που δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο περιοδικό Chemical Geology. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους J. Zwicker, D. Smrzka και S. Gier από το Universität Wien, T. Himmler από το Γεωλογικό Ινστιτούτο της Νορβηγίας, P. Monien από το Universität Bremen, J.L. Goedert από το Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον . Peckmann από το Universität Hamburg.