In profondità sotto la superficie terrestre, indizi sulle origini della vita

Le rocce appena raccolte potrebbero anche contenere indizi su un’altra caratteristica distintiva del nostro pianeta: la vita

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In profondità sotto la superficie terrestre, indizi sulle origini della vita
In profondità sotto la superficie terrestre, indizi sulle origini della vita

Più di 62 anni dopo il Progetto Mohole, gli scienziati devono ancora perforare con successo una sezione intatta della crosta terrestre. Ma la primavera scorsa, un team a bordo della nave di perforazione JOIDES, ha recuperato un tesoro di rocce del mantello da un’area del fondale marino atlantico dove la crosta è particolarmente sottile. Il sito si trova in cima a una montagna sottomarina conosciuta come Massiccio Atlantide, dove i lenti spostamenti delle placche tettoniche hanno spinto blocchi di rocce del mantello più vicini alla superficie.

Sebbene il mantello costituisca la maggior parte del nostro pianeta, le sue rocce sono solitamente sepolte diversi chilometri sotto la superficie, rendendo difficile il recupero di campioni freschi. D’altra parte, le rocce del mantello come quelle scavate la scorsa primavera potrebbero offrire indizi sul funzionamento profondo della Terra e aiutare i ricercatori a comprendere meglio la coreografia tettonica fondamentale per il nostro mondo.

Le rocce appena raccolte potrebbero anche contenere indizi su un’altra caratteristica distintiva del nostro pianeta: la vita.

Quando l’acqua di mare incontra la roccia del mantello, una serie di reazioni chimiche genera una soluzione in grado di creare i composti organici necessari per accendere le prime scintille della vita. Gli scienziati hanno già trovato tracce di piccole molecole organiche create senza l’aiuto microbico nel sistema di ventilazione idrotermale di Lost City, una metropoli geologica tentacolare in cima al massiccio di Atlantide. Alcuni scienziati ipotizzano da tempo che tali ambienti potrebbero aver incubato le prime forme di vita del nostro pianeta. Ora, il foro recentemente praticato dal team, che ha scavato più di un chilometro sotto il fondale marino, ha raggiunto quello che sembra essere il cuore pulsante di questo sistema idrotermale.

introduzione

Ciò ci apre un mondo di possibilità”, ha affermato Susan Lang, biogeochimica presso la Woods Hole Oceanographic Institution che ha co-guidato la spedizione.



Ci sono già indizi che alte concentrazioni di gas idrogeno nelle acque dei pozzi potrebbero essere disponibili per alimentare la sintesi organica. Questo laboratorio naturale promette di aiutare la squadra a svelare l’origine del composto vivificante che scorre attraverso le torri della Città Perduta, permettendo loro di studiare la chimica organica di un mondo senza organismi: la chimica della vita prima che la vita esistesse, o quando la vita esisteva. I pochi microorganismi che sopravvivono alle condizioni estreme del sottosuolo possono offrire indizi su come i primi esseri viventi si guadagnavano da vivere, aiutando gli scienziati a decifrare i passaggi cruciali che trasformarono i composti chimici in creature.

Costruire una città perduta

Lang ricorda ancora il giorno, circa vent’anni fa, quando le fu offerto un posto sulla nave che conduceva il primo studio dettagliato delle sorgenti della Città Perduta. Lacrime di eccitazione le inondarono gli occhi. “Ho detto di sì senza consultare nessuno“, ha detto Lang, che all’epoca era uno studente laureato presso l’Università di Washington.

Il suo fervore rifletteva la natura rivoluzionaria di Lost City, le cui scintillanti e traslucide colonne di acqua calda furono avvistate per la prima volta dagli scienziati a bordo della nave da ricerca Atlantis nel 2000. All’epoca, tutti gli altri sistemi di ventilazione idrotermali conosciuti erano scuri, con camini anneriti dalle acque vulcaniche, solfuri che pompano pennacchi densi e fumosi di fluidi brucianti nell’oceano. Ma le guglie della Città Perduta erano di un bianco spettrale.

Come gli scienziati hanno presto appreso, la tonalità chiara deriva dalle reazioni tra l’acqua di mare e la roccia nascosta all’interno del Massiccio di Atlantide. Un po’ più alta del Monte Rainier, questa montagna sottomarina è in gran parte costituita da peridotite, un tipo di roccia che domina il mantello superiore. La montagna si è formata dai graduali spostamenti della vicina dorsale medio atlantica, dove le placche tettoniche nordamericana e africana si separano lentamente. Questo movimento ha strappato la crosta superiore dal picco ascendente, esponendo fasce del suo nucleo di peridotite.

Sezioni di nuclei del mantello appena recuperati. I nuclei sono scuri e cilindrici.
Stretto tra la crosta terrestre e il suo nucleo, il mantello è normalmente molto difficile da raggiungere. Ma la primavera scorsa, gli scienziati hanno perforato un punto del fondale marino dove le rocce del mantello si trovano vicino alla superficie. Lesley Anderson/IODP

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La peridotite normalmente permane sotto chilometri di crosta. È instabile così vicino alla superficie terrestre, dove l’acqua di mare può insinuarsi nelle fessure delle rocce. Quando ciò accade, un minerale chiamato olivina che domina la peridotite reagisce prontamente con le molecole d’acqua, innescando una serie di passaggi chimici chiamati serpentinizzazione. Il processo rende l’acqua altamente alcalina, quindi quando i fluidi della fessura si mescolano con l’acqua dolce del mare, i minerali pallidi precipitano e formano le meravigliose guglie di Lost City, alte quanto un edificio di 20 piani.

Ma un altro sottoprodotto della serpentinizzazione, l’idrogeno, ha attirato Lang e altri scienziati sul sito per decenni. Nelle giuste condizioni, l’idrogeno può alimentare semplici reazioni chimiche, come trasformare l’anidride carbonica e l’acqua in piccoli composti organici, senza l’aiuto microbico (o abiotico). Reazioni continue potrebbero creare molecole organiche più grandi e complesse, forse creando il giusto mix di ingredienti – zuccheri, grassi, amminoacidi – per combinare le prime forme di vita. Inoltre, l’idrogeno e piccoli composti organici potrebbero aver fornito cibo ai primi abitanti della Terra. “L’idrogeno è la chiave di tutto”, ha detto Lang.

Questo gas era probabilmente più comune sulla Terra primordiale, quando la composizione minerale della superficie era diversa da quella odierna, rendendo le reazioni di serpentinizzazione più comuni.

Le guglie del campo idrotermale di Lost City. Sono pallidi e ricoperti di organismi. Uno di questi sta eruttando fluidi neri e fumosi.
In cima al massiccio di Atlantide, il campo idrotermale di Lost City è una fiorente metropoli sottomarina alimentata dalle reazioni chimiche che si verificano tra le rocce calde e l’acqua di mare. Per gentile concessione dello Schmidt Ocean Institute

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Presso il massiccio dell’Atlantis, Lang e i suoi colleghi vogliono capire quali composti organici possono formarsi senza l’aiuto microbico e quali batteri potrebbero sopravvivere in questo insolito buffet sotterraneo. I risultati potrebbero offrire indizi su come le prime forme di vita riuscivano a vivere, nonché sulla chimica che ha preceduto quegli antichi microbi.

Ma oggi la vita abbonda sulla superficie terrestre, sia sopra che sotto l’acqua, rendendo difficile identificare i composti prodotti senza l’aiuto della biologia. Ciò è particolarmente vero a Lost City. “Basta vedere i biofilm ricoperti di muco che crescono su quei camini“, ha detto William Brazelton , microbiologo dell’Università dello Utah e membro del team JOIDES .

Quindi i ricercatori hanno messo gli occhi sui regni sotto il fondale marino, dove i batteri sono scarsi e l’ossigeno è poco, creando condizioni simili a quelle della Terra primordiale. Come ha detto Brazelton: “Dobbiamo letteralmente andare più in profondità”.

Trovare un laboratorio naturale

Negli anni ’60, il Progetto Mohole segnò l’inizio degli sforzi per scandagliare le profondità inesplorate del nostro pianeta in un periodo di “scienza eroica”, ha affermato Damon Teagle, geochimico dell’Università di Southampton e veterano di numerose spedizioni scientifiche di trivellazione oceanica.

Il nome è un gioco di parole sulla discontinuità di Mohorovičić, o Moho, che definisce il confine tra la crosta e il mantello. Sotto i continenti, il Moho si trova a più di 30 chilometri di profondità; sotto il fondale marino è più vicino ai 7 chilometri. Per questo motivo, le squadre che prendono di mira il mantello solitamente scelgono di perforare dalle navi.

Il progetto Mohole non si è nemmeno avvicinato al suo obiettivo, perforando solo 179 metri di sedimenti e soli 4 metri di roccia del fondale marino. Eppure anche questo sforzo ha rivelato una grande quantità di informazioni sul nostro pianeta, incluso il fatto che sotto i sedimenti del fondale marino si nascondono rocce vulcaniche relativamente giovani – una scoperta che è poi servita come prova chiave nel caso della tettonica a placche. Ha inoltre prodotto tecnologie che si sono evolute in sistemi che gli scienziati continuano a utilizzare, tra cui alcune incluse nella risoluzione JOIDES della scorsa primavera.

La nave JOIDES Risoluzione, che può perforare in profondità sotto il fondale oceanico. Il suo scafo è blu e i ponti sono pieni di equipaggiamento.
Per decenni, la nave risoluzione JOIDES ha aiutato gli scienziati a studiare gli oceani della Terra e ciò che si trova sotto il fondale marino. Tim Fulton/IODP/JRSO

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Ancora oggi, però, le trivellazioni nelle profondità oceaniche rappresentano una sfida tremenda. Per prima cosa, la perforazione della roccia dura consuma rapidamente le punte, che devono essere cambiate regolarmente creando il problema di rientrare nello stesso minuscolo foro da una nave che galleggia su centinaia o migliaia di metri d’acqua, il che è come far cadere un ago in un foro stenopeico. A peggiorare le cose, la spedizione della scorsa primavera ha avuto un inizio infausto. Mentre la squadra stava perforando il primo foro pilota, la punta del trapano si incastrò e, per impedire che la nave rimanesse ancorata per sempre al Massiccio Atlantide, l’equipaggio interruppe il collegamento con un’esplosione di dinamite. Per questa ragione, parte del sistema che permetteva alla trivella di rientrare più volte nel foro si è rotto in pezzi.

Con un po’ di creatività, riuscirono finalmente a trivellare in un sito ora noto come U1601C, che si trova sotto quasi 850 metri d’acqua. Ed è allora che la loro fortuna è cambiata.

Nella maggior parte delle spedizioni di perforazione dei fondali marini, il progresso è lento, con nuclei rocciosi trasportati sul ponte ogni tre ore circa. Ma una volta avviato, il team JOIDES caricava a bordo nuovi nuclei quasi ogni ora. Gli scienziati che analizzavano i campioni riuscivano a malapena a tenere il passo e, prima che se ne rendessero conto, la punta del trapano aveva colpito le rocce del mantello.

Prima di questa spedizione, la distanza massima che qualcuno avesse mai perforato nelle rocce del mantello alterato era di 200 metri. Ma il team JOIDES ha coperto quella distanza in pochi giorni, perforando infine 1.267,8 metri di peridotite. “È stato semplicemente straordinario“, ha detto Teagle, che non faceva parte della recente impresa.

Per Lang, una delle sorprese più grandi era nascosta nelle profondità del pozzo. Dopo aver rimosso l’ultimo nucleo, l’equipaggio ha lavato il buco vuoto con acqua pulita e ha lasciato penetrare fluidi e gas naturali per oltre 72 ore. Quindi hanno raccolto l’acqua del pozzo a varie profondità e l’hanno divisa per più di una dozzina di test chimici, inclusa l’analisi del gas idrogeno.

Il fondale marino del massiccio di Atlantide. È ricoperto di rocce scure e alcune creature marine bianche che ricordano le fronde delle palme.
Situato sul fondale marino vicino alla dorsale medio-atlantica, il massiccio dell’Atlantide offre un accesso relativamente facile alle rocce con un mix di minerali che si ritiene si formino nel mantello terrestre. IFE, URI-IAO, UW, Partito scientifico della città perduta; NOAA/OAR/OER; La spedizione della città perduta del 2005

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Al massimo Lang si aspettava di trovare tracce di idrogeno nel sottosuolo. Ma il campione di acqua più profondo conteneva così tanto gas che, quando emergeva, si formavano delle bolle nel tubo, un fenomeno simile a quello che accade quando si apre una lattina nuova di soda.

Quelle acque erano piene zeppe di idrogeno, il combustibile necessario per alimentare le reazioni abiotiche.

Gli elementi costitutivi degli elementi costitutivi

A più di sei mesi dalla spedizione, il team sta ancora elaborando l’enorme numero di campioni, studiando la chimica dell’acqua, identificando i batteri, caratterizzando le rocce e altro ancora. “La gente farà un’intera zuppa alfabetica di analisi elementari su queste rocce“, ha detto Andrew McCaig, geologo dell’Università di Leeds che ha co-guidato la spedizione.

I modelli preliminari suggeriscono che le temperature vicino al fondo del pozzo potrebbero addirittura raggiungere i 122 gradi Celsius, il limite attualmente noto per la vita (anche se alcuni studi suggeriscono che il limite potrebbe essere ancora più alto). Lang avverte che i modelli necessitano di conferma perché si basano su misurazioni effettuate quando le temperature del pozzo erano leggermente abbassate dalle acque fredde che circolavano durante la perforazione. Se le condizioni fossero confermate come così estreme, tuttavia, la profondità consentirebbe agli scienziati di studiare le reazioni chimiche che alimentano la vita senza la confusa influenza dei microbi.

Questo sarebbe un passo avanti significativo per gli scienziati che studiano le origini acquatiche della vita. “Oggi sulla Terra è davvero difficile osservare la chimica abiotica o prebiotica perché la vita domina; la vita è ovunque“, ha commentato Laurie Barge, un’astrobiologa del Jet Propulsion Laboratory della NASA che non faceva parte della spedizione.

Le prime analisi suggeriscono anche che il piccolo formiato di acido organico è presente nell’acqua del pozzo. Il formiato è uno dei composti più semplici che possono formarsi abioticamente, dalle reazioni tra anidride carbonica e idrogeno, e potrebbe segnare un primo passo verso i primi barlumi di vita sulla Terra primordiale.

È la materia prima su cui costruire gli elementi costitutivi“, ha detto Lang. Le continue reazioni abiotiche con il formiato potrebbero produrre composti organici più grandi come gli amminoacidi, che possono essere legati insieme in molecole essenziali per la vita, come enzimi e altre proteine.

Ma gran parte del quadro chimico rimane confuso nel Massiccio di Atlantide. Il formiato in profondità nel pozzo potrebbe essersi formato senza l’aiuto microbico, come è avvenuto nel sottosuolo meno profondo nelle vicinanze, ma per esserne sicuri sono necessari ulteriori test. L’acqua contiene anche metano, un composto che alcuni scienziati ritengono vitale per i primi metabolici e che potrebbe essere generato abioticamente dalle reazioni con l’idrogeno. Ma il modo in cui si forma il metano a Lost City è un altro mistero: è “complicato e confuso“, ha detto Brazelton.

L’identificazione delle reazioni abiotiche in natura potrebbe ispirare futuri esperimenti di laboratorio per testare la chimica prebiotica, in cui i ricercatori possono modificare le condizioni per simulare più da vicino la Terra primordiale o altri mondi, ha spiegato Barge. “Lost City è un posto davvero speciale“, ha detto.

A caccia di batteri

Anche se il pozzo profondo non è privo di vita, la quantità quasi senza precedenti di nuclei rocciosi recuperati aiuterà gli scienziati a collegare i cambiamenti nella chimica dell’acqua e nei tipi di roccia ai pochi batteri che potrebbero sopravvivere nel sottosuolo. Studiare come i batteri sopravvivono in mezzo alle scarse risorse del sottosuolo – magari mangiando idrogeno e altri composti formati abioticamente – potrebbe aiutare ad affinare la nostra immagine dei primi anni di vita.

Brazelton in particolare è alla ricerca degli enzimi specifici utilizzati dai batteri per trasformare l’idrogeno e piccoli composti organici in energia. “L’idea qui è che c’è chimica nelle rocce e, a un certo punto, quella chimica si trasforma in vita“, ha detto Brazelton. Questi enzimi potrebbero essere proprio la manopola che aiuta i ricercatori a riavvolgere l’orologio evolutivo per decifrare come si sono formati i primi metabolici.

Altri sforzi si concentrano sull’incubazione di campioni prelevati dalla roccia e sul tentativo di catturare i microbi profondi in azione, ha spiegato Fengping Wang, il geomicrobiologo che guida questo lavoro all’Università Jiao Tong di Shanghai. Wang studia la vita nel sottosuolo da quasi due decenni, ma lei e altri ricercatori della biosfera profonda hanno ampiamente cercato i microbi nascosti nei sedimenti oceanici. “Sappiamo molto poco dei microbi delle rocce“, ha detto. “È una delle ultime domande nella biosfera profonda: cosa c’è nelle rocce dure?

Fengping Wang a bordo di una nave. Fa il pollice in su e sorride mentre è in piedi accanto a un tavolo ricoperto da centinaia di bottiglie di vetro.
Fengping Wang, un geomicrobiologo, ha analizzato circa 800 campioni a bordo della Risoluzione JOIDES . Vuole sapere quali microbi, se ce ne sono, possono vivere in profondità sotto il fondale marino. Per gentile concessione di Fengping Wang

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In cerca di risposte, Wang ha polverizzato centinaia di carotaggi a bordo della nave, posizionandoli ciascuno in un tubo del reattore metallico o in una bottiglia di vetro. Ha arricchito i campioni con una varietà di cibi: un menu di degustazione microbica adatto a una varietà sconosciuta di diete. E poi ha incubato i campioni a temperature diverse per vedere cosa sarebbe cresciuto.

Nel complesso, ha organizzato quasi 800 incubazioni e ha posato per una foto con loro nel laboratorio di bordo “per mostrare il mio duro lavoro“, ha detto con una risatina. Nella foto, ogni centimetro del tavolo di fronte a lei è pieno di bottiglie di vetro, che rappresentano solo una frazione del totale dei suoi campioni.

I risultati preliminari di Wang rivelano un eccesso di metano in alcuni campioni, ma non è ancora chiaro se il gas provenga da microbi che eruttano o da rocce che reagiscono.

Gli scienziati di molti campi attendono con impazienza le scoperte del team. “Avremo sicuramente una visione molto migliore di… quali sono i reali processi chimici che stanno avvenendo“, ha detto Yoshinori Miyazaki, geofisico del California Institute of Technology.

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