Более десяти лет научное сообщество постулировало, что в такой среде метан и другие органические соединения могут самопроизвольно образовываться в результате химических реакций между водородом из газоотводящей жидкости и диоксидом углерода (CO2). Теория имела смысл, но показать, что это произошло в природе, было непросто.Теперь мы знаем почему: анализ химического состава вентиляционной жидкости доказывает, что с некоторыми органическими соединениями этого не происходит.Новое исследование геохимиков из Океанографического института Вудс-Холла, опубликованное 8 июня в Трудах Национальной академии наук, является первым, показывающим, что образование метана не происходит во время относительно быстрого процесса циркуляции жидкости, несмотря на чрезвычайно высокое содержание водорода в воде. . Хотя метан в изучаемой ими вентиляционной системе фон Дамма образовался в результате химических реакций (абиотических), он образовался в геологических временных масштабах глубоко под морским дном и независимо от процесса вентиляции.
Их исследования также показывают, что другое органическое абиотическое соединение образуется во время процесса циркуляции вентиляции при соседней более низкой температуре, вентиляции с более высоким pH, но скорость реакции слишком медленная, чтобы полностью восстановить углерод до метана.«Мы действительно улучшили наше понимание происхождения абиотических углеводородов во всех гидротермальных системах гребня и гребня, определив, где конкретно углерод трансформируется в пути циркуляции вентиляционной жидкости», — сказала Джилл МакДермотт, ведущий автор исследования и недавний выпускник совместной программы MIT / WHOI по океанографии. «Мы также гораздо лучше понимаем, как быстро эти реакции происходят в естественных системах — одни занимают тысячи лет, а другие — от нескольких часов до нескольких дней».
Метан и другие органические соединения в природных водах могут происходить из трех типов источников: живых организмов, разложения живой или мертвой биомассы и «абиотического» образования посредством чисто химических процессов без участия живых организмов.Выяснение того, как метан и другие органические виды образуются в глубоководных гидротермальных системах, является важным, потому что эти соединения поддерживают современную жизнь, обеспечивая энергией микробные сообщества в глубокой биосфере, а также из-за потенциальной роли абиотически образованных органических соединений в биосфере. происхождение жизни.
Исследование, в число авторов которого также входят геохимики WHOI Джеффри Сивальд, Кристофер Герман и Шон Сильва, указывает на то, что метан на жерловом поле Фон Дамм образовался в результате реакции между СО2 и водой, находящейся в ловушке в течение тысяч лет в остывающих вулканических породах глубоко в земной коре. . Многие участки с истоками тектонически активны, и когда происходят тектонические сдвиги, породы под морским дном могут треснуть, позволяя морской воде проникать и выщелачивать метан изнутри пород. В конце концов, этот метан уносится на морское дно циркулирующей вентиляционной водой.
Хотя эта концепция ранее была теоретизирована, эта статья является первой, демонстрирующей ее важность в природе.Как исследователи определили, что это был изящный трюк, включающий уравновешивание баланса CO2 в вентиляционной площадке путем измерения количества CO2 в морской воде в вентиляционной жидкости; анализ изотопного состава СО2; и радиоуглеродное датирование CO2. Результаты анализа показали, что CO2 не добавлялся и не удалялся, поэтому его нельзя было использовать для образования метана.
Исследование метана показало, что это «мертвый радиоуглерод». Это означало, что он был старше 50 000 лет и не имел современной подписи, что указывало на то, что метан произошел из древних геологических источников.«Мы смогли использовать достаточно разных, но дополняющих друг друга линий доказательств, чтобы показать, что образование метана здесь — чисто химический процесс, и что это происходит в отсутствие жизни», — сказал Макдермотт.
Но почему углекислый газ на этом участке не вступил в реакцию с водородом с образованием метана? Этот вопрос привел к столь же увлекательному открытию: реакция между CO2 и водородом происходила, но не протекала достаточно быстро и не продвигалась достаточно далеко, чтобы образовался метан.
Вместо этого CO2 и водород объединились, чтобы создать «промежуточное» соединение, называемое формиатом — важное «пребиотическое» органическое соединение.Команда обнаружила формиат при анализе выходных жидкостей на более холодных участках выходных вентиляционных отверстий на участке Фон Дамм и обнаружила, что в нем было меньше CO2, чем следовало бы.
Это означало, что CO2, должно быть, реагировал, чтобы сформировать что-то еще. Они определили концентрацию формиата в этих жидкостях, и, по словам Макдермотта, «оказалось, что количество форм формиата, которое было образовано в каждой из этих жидкостей, идеально соответствует количеству потерянного CO2.
Это настолько редко, что вы действительно можете закройте бюджет и выясните, куда ушел весь углерод ». Количество присутствующего формиата также соответствовало количеству, предсказанному термодинамическими моделями.«Это отличный пример, когда гипотезы, разработанные на протяжении многих лет в результате лабораторных экспериментов, и теоретические модели могут быть проверены и подтверждены в природе», — сказал соавтор Сивальд.
Промежуточные виды, такие как формиат, обладают большим количеством доступной энергии. Они также являются хорошим источником энергии для микробов.Фактически, формиат может использоваться современными микробами для генерации метана в подземной биосфере.
Формиат, возможно, также послужил первым шагом к образованию восстановленных углеродных соединений, которые были центральными в примитивных биохимических путях на ранней Земле.«Особенно захватывающим аспектом этого исследования является то, что наши новейшие открытия здесь, на Земле, представляют собой убедительный« реальный »пример того, как пребиотическая химия могла возникнуть и в других местах», — сказал соавтор Герман.