Logo bio-infomedia.ro

Viața ar fi putut apărea în izvoarele termale

  • 3 februarie 2021
  • Ecologie
Bumpass Hell, Parcul Naționla Vulcanic Lassen
Izvoarele termale, cum este cel de la Bumpass Hell, din Parcul Național Vulcanic Lassen, California, oferă condiții care ar fi putut susține viața în momentul apariției acesteia pe Pământ. | Foto: BLAKE SMITH

În Bumpass Hell, din Parcul Național Vulcanic Lassen, California, pământul fierbe literalmente, iar mirosul de ouă stricate umple aerul. Bule de gaz se ridică din băltoacele de nămol, scoțând sunete ciudate. Jeturi de abur fierbinte erup din orificiile din pământ. Acest sit îngrozitor a fost denumit după cowboy-ul Kendall Bumpass, care, în anul 1865, s-a apropiat prea mult și a călcat pe crusta subțire. Apa clocotită și acidă i-a ars picioarele atât de puternic încât a fost necesară amputarea lor.

Unii oamenii de știință contestă faptul că viața ar fi putut apărea în asemenea condiții inospitaliere. Cu mult înainte că viețuitoarele să apară pe Pământ, izvoare termale ca Bumpass Hell ar fi putut susține reacții chimice care au unit moleculele simple, într-un prim pas spre complexitate. Pe de altă parte, alți oameni de știință plasează originile vieții pe Pământ în mediul subacvatic, în izvoarele hidrotermale, unde apa fierbinte și bogată în minerale iese din crăpăturile de pe fundul oceanului.

În timp ce cercetătorii studiază și dezbat unde și cum a apărut viața pe Terra, descoperirile lor oferă un bonus important. Înțelegerea originilor vieții de pe planeta noastră ne-ar putea oferi indicii despre unde să căutăm viața în altă parte, afirmă Natalie Batalha, astrofizician la Universitatea din Santa Cruz, California. Are implicații semnificative pentru viitorul explorării spațiului. Chimistul Wenonah Vercoutere este de acord.

Legile fizicii sunt aceleași peste tot în univers, a declarat Vercoutere, de la Centrul de Cercetare Ames al NASA din Moffett Field, California. Așa că putem crede că legile biologiei sunt și aplicabile peste tot în univers.

Ispita pământului

La nivel biochimic, rețeta vieții se bazează doar pe câteva ingrediente: elemente chimice, apă sau alt mediu în care pot avea loc reacțiile chimice și o sursă de energie pentru aceste reacții. Pe Pământ, toate aceste ingrediente există în izvoarele termale terestre, unde trăiesc unele dintre cele mai rezistente creaturi. De exemplu, Great Boiling Spring din Nevada, S.U.A., clocotește la 77 grade Celsius, însă microbii pot supraviețui în apa de lângă malurile argiloase, conform unui raport din 2016 publicat în Nature Communications. Astfel de condiții le pot reflecta pe cele existente pe Pământul timpuriu, așadar aceste forme de viață sunt, cel mai probabil, înrudite cu unele dintre organismele care au existat odinioară pe planetă, afirmă Jennifer Pett-Ridge, ecolog la Laboratorul Național Lawrence Livermore din California.

Microorganismele din izvoarele termale pot forma comunități denumite covoare microbiene. Formate din mai multe straturi de microbi, covoarele microbiene au fost descoperite în zonele geotermale din toată lumea, inclusiv Parcul Național Yellowstone, izvorul termal Garga din sudul Rusiei și Lassen - unde se află Bumpass Hell.

În decursul timpului, covoarele microbiene pot forma stromatolite, structuri de microbi și minerale care s-au acumulat una peste cealaltă; aspectul stratificat reflectă trecerea timpului, le fel ca inelele de creștere ale unui arbore. Cercetătorii au descoperit dovezi ale stromatolitelor în Formațiunea Dresser, o structură geologică având o vechime de 3,5 miliarde de ani, aflată în vestul Australiei, împreună cu dovezi ale unor depozite minerale din izvoare termale. Aceste descoperiri, dar și alte semne ale prezenței microbilor în trecut, au determinat echipa să sugereze că o parte din viața de pe Pământ a apărut în izvoarele termale.

David Deamer, biofizician la UC Santa Cruz, a petrecut peste patru decenii studiind modul în care viața de pe planeta noastră ar fi putut apărea. El a început prin studierea lipidelor, moleculele grase care formează membranele celulare. Deamer a arătat că, în condițiile izvoarelor termale, se pot forma vezicule în formă de bule, cu un strat exterior alcătuit din lipide. Astfel de structuri ar fi putut fi precursorii ancestrali ai celulelor moderne.

Bruce Damer, astrobiolog la UC Santa Cruz, a lucrat cu Deamer pentru a verifica dacă izvoarele termale pot declanșa reacții de condensare, prin care două molecule se unesc pentru a forma un compus mai mare. Când apa este împroșcată dintr-un izvor termal și se evaporă, moleculele din lichid ar putea suferi reacții de condensare și s-ar putea uni. O a doua împroșcare a apei ar aduce alte molecule, care vor suferi și ele reacții de condensare pe măsură ce lichidul se evaporă. Astfel, fenomenele de umezire și uscare repetate ar putea produce lanțuri de molecule.

În anul 2018, Damer a studiat o zonă geotermală activă din Noua Zeelandă, numită Hells Gate (Poarta Iadului), pentru a verifica această ipoteză. Cercetătorul a pregătit flacoane cu ingredientele necesare pentru asamblarea catenelor de ARN, un acid nucleic care funcționează ca mesager în timpul sintezei proteinelor și care ar fi putut cataliza reacțiile chimice implicate în originile vieții pe Pământ. Amestecul a inclus două dintre cele patru nucleotide ce formează lanțurile de ARN.

Damer a așezat flacoanele pe un suport metalic de dimensiunea a două carcase pentru CD-uri suprapuse și le-a introdus într-un izvor hidrotermal. Pentru a simula alternanța umed-uscat a Pământului primordial, cercetătorul a stropit flacoanele cu apă fierbinte, apoi le-a lăsat să se usuce, repetând acest ciclu de mai multe ori. Analizând aceste flacoane în laborator, a constatat că ele conțineau catene asemănătoare cu cele ale ARN-ului, formate din 100-200 de nucleotide.

Aceste rezultate, prezentate în decembrie 2019 în Astrobiology, indică faptul că molecule complexe se pot forma în izvoarele termale, ceea ce susține ipoteză că viața pe Pământ ar fi putut apărea într-un astfel de mediu. În 2020, Damer s-a întors la Hells Gate, împreună cu Deamer și alți colegi, pentru a confirma aceste rezultate.

Hells Gate, Noua Zeelandă
Bruce Damer a vizitat Hells Gate din Noua Zeelandă de două ori pentru a verifica dacă izvoarele termale oferă condiții pentru unirea nucleotidelor în catene de ARN. | Foto: JOSHUA HAWLEY/ISTOCK/GETTY IMAGES PLUS

Nicholas Hud, chimist la Georgia Tech din Atlanta, S.U.A., studiază originile vieții dintr-o perspectivă ușor diferită: modul în care au apărut ADN-ul și ARN-ul. Cercetătorul este de acord că moleculele se unesc mai ușor prin reacții de condensare pe uscat, unde pot apărea ciclurile umed-uscat, decât în ocean. Aceste reacții produc apă; formarea unor astfel de legături chimice nu este favorabilă din punct de vedere energetic acolo unde există deja multă apă în mediu. Cel mai potrivit loc pentru formarea acestor legături este un loc fierbinte și uscat. Cel mai nepotrivit loc este unul umed și fierbinte.

Viziuni subacvatice

Cu toate acestea, mediile umede și fierbinți sunt chiar locurile potrivite pentru apariția vieții, conform altor studii. În izvoarele hidrotermale din adâncurile întunecate ale oceanelor, apa fierbinte este împroșcată în apa de mare cu o temperatură de câteva grade deasupra punctului de îngheț.

În 2017, cercetătorii au descoperit fosile într-un strat de rocă vechi de 3,77 miliarde de ani din Quebec, Canada, care a provenit de pe fundul unui ocean preistoric și care prezenta semne ale unor izvoare hidrotermale. Cercetătorii susțin că structurile distincte seamănă cu cele ale microbilor, sugerând că mediile din adâncurile mărilor ar fi putut susține o parte a vieții preistorice de pe Pământ.

Aceste medii pot fi extreme: unele izvoare aruncă apă la temperaturi de 400 de grade Celsius. Totuși, dacă izvoarele termale au jucat vreun rol în formarea vieții, este probabil ca acesta să fi fost jucat de către izvoarele cu temperaturi mai blânde. De exemplu, Lost City (Orașul Pierdut) este o zonă hidrotermală din mijlocul Oceanului Atlantic, unde temperatura izvoarelor termale este între 40 și 90 de grade Celsius. Această regiune a fost denumită după coloanele de calcar, asemănătoare cu niște coșuri de fum, care se ridică până la 60 de metri față nivelul fundului mării.

Coloană de calcar
Chimia izvoarelor termale, precum aceste coloane calcaroase din Lost City (Orașul Pierdut) din Oceanul Atlantic, susține viața microbiană. | Foto: SUSAN LANG/UNIVERSITATEA DIN CAROLINA DE SUD, NSF, ROV JONSON/2018 © WOODS HOLE OCEANOGRAPHIC INSTITUTION

Aceste coloane găzduiesc microbi care se hrănesc cu produsele reacției chimice cunoscute sub denumirea de serpentinizare. Izvoarele hidrotermale sunt interesante deoarece ele se află la interfața dintre apă și rocă, a declarat astrofizicianul Laurie Barge, de la Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California.

Reacția chimică dintre apa și roca din situri precum Lost City face ca apa care iese din izvorul termal să fie mai alcalină decât cea din ocean, care are o încărcătură mai mare de ioni de hidrogen cu sarcină pozitivă. Gradientul de la alcalin la acid rezultat este ca diferența dintre polul pozitiv și cel negativ al unei baterii și servește ca sursă de energie pentru activitatea chimică.

Pentru a studia condițiile din izvoarele termale subacvatice, Barge a creat medii simulate în laborator, care imită ceea ce se întâlnește în mediul natural. Pentru a reprezenta oceanul de pe Pământul preistoric, cercetătoarea a umplut o sticlă inversată cu un amestec acid conținând fier, dar nu și oxigen. Un capăt al unui tub din plastic pătrundea prin gâtul sticlei, furnizând un flux constant de soluție alcalină, la fel ca un izvor termal.

Atunci când Barge și colegii săi au injectat o soluție alcalină cu conținut de nucleotide de ARN în sticla care simula oceanul, nucleotidele individuale de ARN s-au unit în lanțuri scurte. Aceste catene erau formate doar din trei sau patru nucleotide, însă rezultatele sugerează că reacțiile care duc la apariția vieții ar fi putut avea loc în condițiile din izvoarele termale subacvatice.

Probleme cu ambele teorii

Pentru Deamer, există multe bariere în fața apariției vieții în izvoarele termale subacvatice: imensitatea oceanului ar fi diluat moleculele, astfel încât ele nu s-ar fi putut concentra suficient pentru a se produce reacțiile chimice. De asemenea, nu există cicluri umed-uscat sub apă. Din punctul său de vedere, evaporarea repetată este necesară pentru a atrage suficiente molecule care să formeze lanțuri mai lungi. În plus, spre deosebire de izvoarele termale de apă dulce, apa sărată a oceanului inhibă formarea membranelor și reacțiile care unesc moleculele.

Însă și teorie lui Deamer privind izvoarele termale are criticii săi. Catenele de ADN și ARN sunt compuse din molecule alternante de fosfat și zaharuri, însă zaharurile sunt extrem de instabile în mediul izvoarelor termale, spune David Des Marais, astrobiolog la Centrul de Cercetare Ames al NASA.

Probabil că va fi imposibil de stabilit cu exactitate cum a apărut viața pe Pământ: cea mai mare parte a înregistrărilor geologice despre ceea ce s-a întâmplat în preistoria planetei noastre au dispărut de mult timp. Există numeroase ipoteze alternative privind originile vieții, dincolo de izvoarele termale. De exemplu, un studiu recent sugerează că impacturile cu asteroizi ar fi putut trimite apa oceanică supraîncălzită în crustă, cu producerea de sisteme hidrotermale asemănătoare cu izvoarele termale.

Viața dincolo de planeta Pământ

Cercetătorii folosesc informațiile privind originile vieții de pe Pământ pentru a îndruma căutările de semnături biologice dincolo de planeta noastră. Există câteva locuri promițătoare în sistemul nostru solar.

Unul dintre lucrurile de care NASA este interesată este dacă ar putea exista viață sub suprafața oceanelor de pe lunile înghețate, cum ar fi Europa și Enceladus, a declarat Batalha, de la UC Santa Cruz. Oamenii de știință dețin dovezi că aceste două luni, care orbitează în jurul planetei Jupiter, respectiv al planetei Saturn, au oceane cu apă sărată în stare lichidă sub straturile de gheață.

Aceste luni sunt intrigante deoarece, pe lângă apa în stare lichidă, ambele prezintă erupții de vapori de apă la suprafață, ceea ce sugerează o activitate hidrotermală. Sonda spațială Cassini, lansată de NASA, chiar a identificat compuși cu carbon, azot și oxigen în norii lui Enceladus, unele dintre ingredientele aminoacizilor - structurile de bază ale proteinelor. Europa și Enceladus fascinează astronomii, deoarece activitatea de pe fundul oceanelor lor s-ar putea asemăna cu izvoarele hidrotermale de pe planeta noastră și ar putea crea condiții chimice care să susțină viața.

Erupții de vapori de apă pe Enceladus
Mase de vapori de apă cu compuși de carbon, azot și oxigen sunt aruncați de pe suprafața înghețată a lui Enceladus, un satelit natural al planetei Saturn, fotografiat de sonda Cassini a NASA. Hidrogenul din acești vapori este o dovadă a activității hidrotermale din oceanul de sub straturile de gheață, activitate similară cu izvoarele termale subacvatice de pe Pământ. | Foto: JPL-CALTECH/NASA

Lunile înghețate pot susține și reacțiile de condensare.

Chiar dacă suntem pe o lună înghețată, am putea avea [...] îngheț și dezgheț, a declarat Barge. Așadar, cred că dacă ciclul umed-uscat este important, atunci ar trebui să căutăm în orice mediu din sistemul nostru solar care ar putea să susțină astfel de condiții oscilante.

Însă, pentru a căuta semne ale vieții din trecut, Damer și Deamer cred că planeta Marte este locul cel mai promițător. Depozitele minerale indică prezența izvoarelor termale și a activității hidrotermale în trecutul planetei, care ar fi susținut ciclurile de umezire și uscare pe care cei doi cercetători le consideră cruciale pentru producerea reacțiilor de condensare necesare apariției vieții.

Misiunile către planeta Marte sunt deja în desfășurare. Robotul Perseverance al NASA va căuta semne de viață în craterul Jezero de pe Marte, după ce va ajunge pe planetă în februarie 2021. Deși cel puțin 54,6 milioane de kilometri le separă, Marte și Bumpass Hell ar putea să nu fie chiar așa de diferite.

Source Sursa: www.sciencenews.org
Text: Jack J. Lee



Din aceeași categorie

Evoluția omului: cum am devenit umani

14 ianuarie 2021 | Evoluție