Πώς τα υδροθερμικά ωκεάνια συστήματα κατέστησαν δυνατή την πρώτη ζωή στη Γη
Ένας μαύρος υδροθερμικός αεραγωγός καπνιστών σε βάθος νερού 3.300 μέτρων στο υδροθερμικό πεδίο Logatchev στο Mid-Atlantic Ridge. Από: Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen.
Ο πλανήτης μας είναι μοναδικός για την ικανότητά του να διατηρεί άφθονη ζωή. Από μελέτες πετρωμάτων , οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η ζωή είχε ήδη εμφανιστεί στη Γη τουλάχιστον 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια πριν και πιθανώς πολύ νωρίτερα.
Αλλά το πώς αναπτύχθηκε ένα κατοικήσιμο περιβάλλον και πώς εμφανίστηκε η πρώτη ζωή στην πρώιμη Γη παραμένει αινιγματικό. Μία από τις μεγάλες προκλήσεις για να γίνει η Γη κατοικήσιμη στα σπάργανα ήταν η ασθενής ηλιακή ενέργεια που λάμβανε.
Τα αστροφυσικά μοντέλα δείχνουν ότι ο ήλιος είχε μόνο περίπου το 70% της τρέχουσας φωτεινότητάς του όταν γεννήθηκε η Γη, πριν από περίπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα η επιφάνεια της Γης να είναι παγωμένη μέχρι πριν από περίπου 2 δισεκατομμύρια χρόνια.
Παρ 'όλα αυτά, οι επιστημονικές έρευνες δείχνουν ότι η Γη είχε θερμούς ωκεανούς και κατοικήσιμα περιβάλλοντα ήδη από 4,4 δισεκατομμύρια χρόνια πριν. Αυτή η αντίφαση είναι γνωστή ως το παράδοξο του αμυδρού νεαρού ήλιου .
Η επίλυση αυτού του παράδοξου και η δημιουργία της πρώτης ζωής περιλαμβάνουν μια βασική χημική ένωση - την αμμωνία. Ωστόσο, η πηγή της αμμωνίας στην πρώιμη Γη πριν από την εμφάνιση της βιολογικής επεξεργασίας του αζώτου παραμένει άγνωστη.
Συνάδελφοι στην Κίνα και η ερευνητική μου ομάδα στο Πανεπιστήμιο της Αλμπέρτα δημοσίευσαν πρόσφατα τη μελέτη μας για τα ορυκτά που εναποτίθενται από υδροθερμικά ρευστά σε ωκεάνιες κρούστες που έχουν διατρηθεί από τη λεκάνη της Νότιας Σινικής Θάλασσας. Ανακαλύψαμε ότι οι χημικές αντιδράσεις που καταλύονται από ορυκτά σε υποβρύχια υδροθερμικά συστήματα μπορούν να παράγουν τα απαραίτητα συστατικά για έναν κατοικήσιμο κόσμο και ζωή στη Γη.
Μια εξήγηση των υδροθερμικών πηγών. Από: Ωκεανογραφικό Ινστιτούτο Woods Hole.Τα νερά γύρω από τις υδροθερμικές πηγές μπορεί να φαίνονται σκληρά και αφιλόξενα για ζωή, αλλά στην πραγματικότητα, αυτές οι περιοχές είναι οάσεις που υποστηρίζουν πλούσια και ποικίλα οικοσυστήματα που ζουν από τις χημικές ουσίες που ρέουν από τον πυθμένα. Αυτό το βίντεο εμφανίζεται στο Κέντρο Ανακάλυψης Ωκεανογραφικών Επιστημών του WHOI με το πραγματικό κομμάτι της καμινάδας υδροθερμικών πηγών να συλλέγεται από το καταδυόμενο από ανθρώπους υποβρύχιο Alvin.
Υπόθεση για την προέλευση της ζωής
Η πρώτη ζωή στη Γη υποτίθεται ότι δημιουργήθηκε από μια σειρά αβιοτικών διεργασιών, γνωστών και ως αβιογένεση. Σύμφωνα με αυτήν την υπόθεση, τα δομικά στοιχεία της πρώτης ζωής συντέθηκαν στη Γη από βασικές ανόργανες ενώσεις μέσω αβιοτικών αντιδράσεων ή μεταφέρθηκαν εδώ από μετεωρίτες.
Το 1953, ο Αμερικανός χημικός Στάνλεϊ Μίλερ, τότε μεταπτυχιακός φοιτητής που συνεργαζόταν με τον βραβευμένο με Νόμπελ Χάρολντ Γιούρι στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο, ανακάλυψε την παραγωγή αμινοξέων στα πειράματά του που προσομοίωναν κεραυνούς σε μια ατμόσφαιρα της πρώιμης Γης που αποτελούνταν από νερό και υγρασία και διάφορα αέρια (μόρια μεθανίου, αμμωνίας και υδρογόνου).
Αυτά τα δομικά στοιχεία της ζωής θα μπορούσαν στη συνέχεια να εναποτεθούν στον ωκεανό για την ανάπτυξη ζωής. Αυτή η πρωτοποριακή ανακάλυψη του Μίλερ υπονοούσε ότι η αβιογένεση της ζωής στη Γη είναι δυνατή.
Αέρια όπως το μεθάνιο, η αμμωνία και το υδρογόνο δεν ήταν μόνο απαραίτητες ενώσεις για τη σύνθεση οργανικής ύλης στα πειράματα του Μίλερ. Είναι επίσης βασικά συστατικά για τη δημιουργία ενός κατοικήσιμου περιβάλλοντος στην πρώιμη Γη.
Όλα έχουν προταθεί ως πιθανοί παράγοντες που συμβάλλουν , είτε άμεσα ως αέρια του θερμοκηπίου είτε έμμεσα ως ενισχυτές άλλων αερίων του θερμοκηπίου, στη θέρμανση της επιφάνειας της πρώιμης Γης κάτω από τον αχνό νεαρό ήλιο.
Από πού προήλθαν αυτά τα αέρια;
Ένα πρόβλημα, ωστόσο, είναι ότι αυτά τα αέρια δεν ήταν εξαρχής τα κύρια συστατικά στην επιφάνεια της πρώιμης Γης. Αντίθετα, οι κυρίαρχες μορφές άνθρακα και αζώτου ήταν το διοξείδιο του άνθρακα και το διαάζωτο .
Αυτό σημαίνει ότι το πρώτο βήμα για να γίνει η Γη κατοικήσιμη και να δημιουργηθεί η πρώτη ζωή έπρεπε να είναι ανόργανες αντιδράσεις για να μετατραπεί το διοξείδιο του άνθρακα σε μεθάνιο και το διάζωτο σε αμμωνία, επίσης γνωστές ως αβιοτικές αντιδράσεις αναγωγής άνθρακα και αζώτου.
Πού και πώς πραγματοποιήθηκαν αυτές οι αντιδράσεις αναγωγής;
Οι πυθμένες των ωκεανών του κόσμου περιέχουν άφθονα υδροθερμικά συστήματα όπου κρύο θαλασσινό νερό ρέει στον βαθύ ωκεάνιο φλοιό και στη συνέχεια αναμειγνύεται με ανερχόμενα μαγματικά ρευστά. Τα αναμεμειγμένα θερμά ρευστά εκπέμπονται πίσω μέσω υδροθερμικών αεραγωγών, όπως οι μαύροι καπνιστές ή οι λευκοί καπνιστές .
Κατά μήκος αυτής της οδού, το νερό και τα διαλυμένα συστατικά μπορούν να αντιδράσουν με πρωτογενή ορυκτά στον ωκεάνιο φλοιό για να παράγουν δευτερογενή ορυκτά και άλλα υποπροϊόντα. Το μεθάνιο και το διυδρογόνο, που σχηματίζονται από αντιδράσεις αβιοτικής αναγωγής που καταλύονται από ορυκτά κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, έχουν παρατηρηθεί ευρέως στα εκπεμπόμενα υδροθερμικά ρευστά.
Επομένως, τα υποβρύχια υδροθερμικά συστήματα έχουν θεωρηθεί ως η πιο πιθανή θερμοκοιτίδα για ένα κατοικήσιμο περιβάλλον και την προέλευση της ζωής.
Μια σύντομη επισκόπηση του ρόλου που παίζουν οι υδροθερμικές πηγές στην έναρξη της ζωής στη Γη. Από: TED-Ed.
Αναζητώντας αποδεικτικά στοιχεία
Ωστόσο, εξακολουθεί να λείπει ένα κομμάτι σε αυτήν την εικόνα: η αβιοτική αναγωγή του διαζώτου δεν έχει επιβεβαιωθεί ότι συμβαίνει σε υδροθερμικά συστήματα. Οι επιστήμονες έχουν ψάξει σκληρά για στοιχεία αυτής της αντίδρασης, αβιοτική αμμωνία, αλλά μέχρι στιγμής δεν έχουν τα καταφέρει.
Η αμμωνία (κυρίως στη διαλυμένη της μορφή, ιόν αμμωνίου) που έχει ανιχνευθεί σε υδροθερμικά ρευστά που συλλέχθηκαν από ενεργά στόμια αεραγωγών αποδείχθηκε ότι είναι κυρίως βιολογικής και όχι αβιοτικής προέλευσης.
Η σχετικά μικρή ποσότητα αβιοτικού αμμωνίου που μπορεί να υπάρχει μπορεί εύκολα να κρυφτεί από τη μεγάλη ποσότητα βιολογικού αμμωνίου στο θαλασσινό νερό. Είναι αδύνατο να αποφευχθεί η μόλυνση του θαλασσινού νερού κατά τη συλλογή δειγμάτων υποθαλάσσιου υδροθερμικού ρευστού.
Ωστόσο, τα δευτερογενή ορυκτά που εναποτίθενται από υδροθερμικά ρευστά μπορούν να «κλειδώσουν» κάποια ποσότητα αμμωνίου στις εσωτερικές τους δομές και να το προστατεύσουν από τη μόλυνση από ρηχά θαλασσινά νερά και την ανάμειξη με βιολογικό αμμώνιο. Επομένως, η μελέτη των δευτερογενών ορυκτών στον βαθύ ωκεάνιο φλοιό μπορεί να αποκαλύψει καλύτερα την πηγή αμμωνίου και τον μηχανισμό παραγωγής του στα βαθιά υδροθερμικά συστήματα.
Ωστόσο, τέτοια δείγματα δεν είναι εύκολο να συλλεχθούν. Το Διεθνές Πρόγραμμα Ανακάλυψης Ωκεανών έχει καταβάλει τεράστιες προσπάθειες για να κάνει γεωτρήσεις βαθιά στον ωκεάνιο φλοιό για τη συλλογή δειγμάτων. Ευτυχώς, ένα σύνολο δειγμάτων δευτερογενών ορυκτών ανακαλύφθηκε σε έναν πυρήνα γεώτρησης 200 μέτρων από τη Νότια Σινική Θάλασσα .
Ένα κομμάτι του παζλ που έλειπε
Για τη μελέτη μας, εξετάσαμε ένα συγκεκριμένο χημικό χαρακτηριστικό, δηλαδή τα ισότοπα του αζώτου , για το αμμώνιο που είναι κλειδωμένο στα υδροθερμικά ορυκτά.
Το άζωτο έχει δύο ισότοπα με ατομική μάζα 14 και 15, αντίστοιχα. Η αβιοτική αναγωγή διαζώτου που καταλύεται από ορυκτά προτιμά έντονα να χρησιμοποιεί αυτήν με ατομική μάζα 14. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια μοναδική ισοτοπική υπογραφή αζώτου στο αμμώνιο που παράγει.
Τα αποτελέσματά μας συμφωνούν με αυτήν την ισοτοπική υπογραφή. Αυτό καταδεικνύει την παραγωγή αμμωνίας ή αμμωνίου μέσω αβιοτικής αναγωγής διαζώτου σε υποβρύχια υδροθερμικά συστήματα.
Αυτή η ανακάλυψη προσθέτει ένα κομμάτι παζλ που έλειπε στις θεωρίες μας σχετικά με την προέλευση της ζωής στη Γη. Αυτά τα υποβρύχια υδροθερμικά συστήματα στον πυθμένα του ωκεανού επέτρεψαν τις πρώτες αντιδράσεις όλων των στοιχείων που αποτελούν τη ζωή στον πλανήτη μας.
Λονγκ Λι, The Conversation
περισσότερα,
Abiotic N2 reduction in submarine hydrothermal systems could quickly fertilize prebiotic oceans-Liheng Sun, Kan Li, Zhen Sun, Yunying Zhang & Long Li
https://www.nature.com/articles/s41467-025-65711-1
https://theconversation.com/how-the-oceans-hydrothermal-systems-made-the-first-life-on-earth-possible-271920
https://phys.org/news/2026-01-ocean-hydrothermal-life-earth.html