과학자들은 삶의 한계를 추구하는 습관의 변두리를 찌르고 자극합니다. 이를 위해, 그들은 지구 표면 아래에 킬로미터를 터널로 만들어 광산 샤프트의 바닥에서 바깥쪽으로 시추하고 바다 퇴적물로 깊숙이 들어가는 시추공을 가라 앉습니다. 놀랍게도, NASA의 Ames Research Center의 화학자이자 우주 생물학자인 Tori Hoehler는“우리는 우리가 보았던 모든 곳이었다”고 말했다. 그리고 그것은 엄청난 양으로 존재했습니다. 다양한 추정치에 의해 거주 한 지하 영역은 바다의 두 배를 가지고 있으며 10 개의 세포의 순서를 유지하여 지구상에서 가장 큰 서식지 중 하나이며 가장 오래되고 가장 다양한 것 중 하나입니다.
.연구원들은 여전히 대부분의 삶이 어떻게 살아남는 지 이해하려고 노력하고 있습니다. 광합성에 대한 햇빛은 그러한 깊이에 도달 할 수 없으며, 유기 탄소 식품의 빈약 한 양은 종종 빠르게 소진됩니다. 해저 또는 화산 활동에 의해 따뜻해진 대륙 지역 내에서 열수 통풍구 근처에 거주하는 유기체의 공동체와 달리, 여기에서 생태계는 일반적으로 광합성과 무관하게 일부 지하 수명을 지원하는 고온 과정에 의존 할 수 없습니다. 이 미생물은 깊은 추위와 어둠 속에 매달려 야합니다.
2 월에 다른 연구 그룹에 의해 나타나는 두 가지 논문은 이제 대륙 아래의 세포와 깊은 해양 퇴적물에 대한이 미스터리 중 일부를 해결 한 것으로 보인다. 그들은 태양의 핵 융합 반응이 표면 세계에 에너지를 제공하는 것처럼, 다른 종류의 핵 과정 (방사성 붕괴)이 표면 아래의 깊은 생명을 유지할 수 있다는 증거를 발견했다. 암석에서 불안정한 원자로부터의 방사선은 수 분자를 수소로 분할하고 화학적으로 반응성 과산화물 및 라디칼로 분할 될 수있다. 일부 세포는 수소를 연료로 직접 사용할 수 있으며 나머지 제품은 미네랄과 다른 주변 화합물을 추가 에너지 원으로 바꿉니다.
이러한 방사성 반응성 반응은 태양과 지하 열 과정보다 훨씬 느리게 에너지를 산출하지만, 연구원들은 광범위한 환경에서 미생물 활동의 주요 동인이 될 정도로 빠르며 다양한 유기 분자 및 기타 화학 물질을 생명에 중요하게 생각한다는 것을 보여주었습니다. 새로운 작품에 관여하지 않은 Brown University의 행성 지질 학자 인 Jack Mustard에 따르면, 방사선 분석 설명은 삶이 어떻게 생겼는지, 초기 지구에서 어떻게 나타날 수 있었는지, 그리고 어느 날 우주가 발견 될 수있는 곳에“완전히 새로운 전망을 열었습니다.
.수소 깊은 곳
Barbara Sherwood Lollar는 1981 년에 열수 통풍구에서 생명이 발견 된 지 4 년 후 대학에 출발했습니다. 그녀는“Jules Verne의 꾸준한 다이어트에 저를 먹인 두 교사의 자녀로서“이 모든 것은 실제로 내 아이에게 말했습니다”라고 말했습니다. 깊은 지하를 연구하는 것은“이전에 본 적이없는 지구의 일부를 이해하는 방법, 우리가 아직 이해하지 못하는 삶의 일종”을 연구했을뿐만 아니라“화학, 생물학, 물리학 및 지질학 사이의 경계를 분명히 짓밟 았고, 과학자들이 그 분야를 새롭고 흥미로운 방식으로 결합 할 수있게 해주었습니다.
.1980 년대 Sherwood Lollar의 훈련과 90 년대 토론토 대학교에서 지질 학자로서의 초기 경력을 통해 점점 더 많은 지하 미생물 공동체가 발견되었습니다. 이 생명을지지 한 수수께끼는 일부 연구자들이 수소 가스를 에너지 원으로 사용하는 세포로 가득 찬“깊은 수소 트리거 생물권”이있을 수 있다고 제안했다. (깊은 지하 표 샘플에서 발견되는 미생물은 종종 수소로부터 에너지를 유도 할 수있는 효소에 대한 유전자가 풍부 해졌다.) 많은 지질 과정은 그 수소를 그럴듯하게 생산할 수 있지만, 가장 잘 연구 된 것들은 고온과 압력에서만 발생했다. 여기에는 화산 가스 사이의 상호 작용, 물이있는 경우 특정 미네랄의 파괴 및 뱀화 - 물과의 반응을 통한 특정 종류의 지각 암석의 화학적 변화가 포함되었습니다.
2000 년대 초반에, Li-Hung Lin (현재 대만 대학교)의 Sherwood Lollar, Princeton University의 Tullis Onstott와 동료들은 남아프리카의 깊은 곳에서 분리 된 물에서“어떤 경우에는 놀랍게도 높은”수소가 고농도의 수소를 발견하고있었습니다. 그러나 Serpentinization은 설명 할 수 없었습니다. 필요한 미네랄의 종류는 종종 존재하지 않았습니다. 최근 화산 활동과 마그마 흐름이 없기 때문에 다른 과정도 가능성이 없었습니다.
Sherwood Lollar는“우리는 수소 생성 반응에 대한 이해 와이 장소의 암석의 화학 및 광물과의 관계에 대한 이해를보고 확장하기 시작했습니다.
암석 장소에 갇힌 물은 많은 양의 수소뿐만 아니라 헬륨을 가졌다는 사실을 발견했습니다. 우라늄 및 토륨과 같은 요소의 방사성 붕괴로부터의 입자가 물 분자를 분할했다는 지표입니다. 이 과정 인 수질 방사선 분석은 20 세기 초 마리 쿠리 실험실에서 처음으로 관찰되었으며, 연구자들은 라듐 염의 용액이 수소와 산소의 기포를 생성한다는 것을 깨달았습니다. Curie는 이것을“전극이없는 전기 분해”라고 불렀습니다. (과학자들이 산소가 과정에서 생성 된 과산화수소에서 나온 것을 깨닫는 데 몇 년이 더 걸렸습니다.)
Sherwood Lollar, Lin, Onstott 및 그들의 공동 작업자들은 2006 년 남아프리카와 캐나다의 미생물 공동체가 방사선 분석을 통해 생산 된 수소에서 생존을 위해 에너지를 유도했다고 제안했습니다. 그래서 자연 환경에서의 방사선 분석이 얼마나 중요한지 포장을 풀기위한 긴 탐구를 시작했습니다.
‘완전히 자체적으로 유지 된 시스템
향후 10 년 동안, 연구자들은 다양한 광업지에서 깊은 대수층으로부터 샘플을 얻었고 체액의 복잡한 화학을 지질 환경과 관련시켰다. 캐나다 빵 껍질 아래에 갇힌 일부 물은 10 억 년 이상 표면에서 분리되었을 것입니다. 그 물 안에는 박테리아가 있었고 여전히 살아있었습니다.
머스타드는“이것은 완전히 자체적으로 유지 된 시스템이어야했다. 제거 과정에 의해 방사선 분석은 가능한 에너지 원처럼 보였지만 생명을 지원하기에 충분할 수 있습니까?
2014 년 Sherwood Lollar와 그녀의 동료들이 핵 화학자 실험실의 결과를 크러스트의 미네랄 조성 모델과 결합했을 때, 그들은 방사선 분석 및 기타 과정이 대륙 지하에서 수소가 많이 생성 될 가능성이 있음을 발견했습니다. Sherwood Lollar는“우리는 지구의 수위 반응에서 수소 생산 추정치를 두 배로 늘 렸습니다.
미생물은 방사선 분해에 의해 생성 된 수소를 직접 활용할 수 있지만, 그것은 이야기의 절반에 불과했다. 그것을 최대한 활용하기 위해서는 전자 공여체로서 수소뿐만 아니라 전자 수용체로서 다른 물질이 필요했다. 과학자들은 미생물이 과산화수소와 방사성 분해로부터의 다른 산소 함유 라디칼이 주변 미네랄과 반응 할 때 만들어진 화합물에서 발견되고 있다고 의심했다. 2016 년에 발표 된 작업에서, 그들은 방사성 완화 수소 과산화수소가 캐나다 광산의 벽에서 황화물과 상호 작용하여 전자 수용체 인 설페이트를 생산할 가능성이 있음을 보여 주었다. 그러나 Sherwood Lollar와 그녀의 동료들은 여전히 세포가 그 황산염에 에너지에 의존하고 있다는 증거가 필요했습니다.
2019 년에 그들은 마침내 그것을 얻었습니다. 지하수에서 광산으로 박테리아를 배양함으로써, 그들은 미생물이 수소와 황산염을 모두 사용했음을 보여줄 수있었습니다. 물, 일부 방사성 붕괴, 약간의 황화물 -“그리고 당신은 수십억 년 동안 지속될 수있는 지속적인 에너지 생산 시스템을 얻습니다.
2 월 논문에서 Sherwood Lollar와 그녀의 동료들은 방사선 분석이 지구의 수소와 황 사이클뿐만 아니라 생명과 가장 밀접하게 관련된주기 :탄소의주기에서 도구적임을 보여주었습니다. 동일한 캐나다 광산의 물 샘플 분석은 박테리아 수명을 지원할 수있는 매우 높은 농도의 아세테이트 및 포르 테이트, 유기 화합물을 보여 주었다. 또한, 동위 원소 시그니처의 측정은 화합물이 비 생물 적으로 생성되고 있음을 나타냈다. 연구원들은 방사성 유산물이 암석에서 용해 된 탄산염 광물과 반응하여 관찰하고 있던 대량의 탄소 기반 분자를 생산한다고 가정했다.
.Sherwood Lollar의 팀은 그들의 가설을 강화하기 위해 추가 증거가 필요했습니다. 한 달 후에 도착했습니다. 프랑스 그레노블 알프스 대학교 (Grenoble Alpes University)의 지구 화학자 인 로렌트 트루 치 (Laurent Truche)가 이끄는 핵 화학자들과 넌 테스 대학교의 조한 반덴 보레 (Johan Vandenborre)는 실험실 환경에서 방사선 분해를 독립적으로 연구하고있다. 3 월에 발표 된 작업에서, 그들은 용해 된 탄산염의 존재하에 정확한 메커니즘과 방사선 분석의 수율을 고정시켰다. 그들은 포르 메이트와 아세테이트를 포함한 다양한 부산물의 정확한 농도를 측정했습니다. 그리고 그들이 기록한 양과 속도는 Sherwood Lollar가 천연 암석의 깊은 골절에서보고있는 것과 일치했던 것과 일치했습니다.
.바다 아래
Sherwood Lollar가 Continental 지하 내에서 현장 연구를 수행하는 동안 소수의 과학자들은 해저 아래의 방사선 분석의 영향을 없애려고 노력했습니다. 그 중 최고로로드 아일랜드 대학교의 지오메트리 생물학자인 Steve D 'Hondt는 2 월에 그의 대학원생 Justine Sauvage와 동료들과 함께 방사선이 해양 지하 생활을 유지하는 데 거의 20 년 동안의 상세한 증거를 발표했습니다.
.2010 년, 해양-지구 과학 기술을 위해 일본 기관의 지오메트리 생물학자인 D 'Hondt와 Fumio Inagaki는 전 세계에서 하위 구역 퇴적물 샘플을 수집 한 시추 원정을 이끌었습니다. 그 후, D 'Hondt와 Sauvage는 수십 개의 퇴적물 유형을 물에 매달아 다른 유형의 방사선에 노출 시켰으며, 매번 생산 된 수소의 양은 순수한 물이 조사 될 때보 다 훨씬 크다는 것을 발견했습니다. 퇴적물은 방사성 분해의 생성물을 증폭시켰다. D 'Hondt는“수확량은 우스운 일이었습니다. 경우에 따라 물에 퇴적물이 존재하면 수소의 생산이 거의 30 인 배 증가했습니다.
D 'Hondt는“일부 미네랄은 방사선 완화 수소 생산의 온상 일뿐입니다. "그들은 방사선의 에너지를 미생물을 먹을 수있는 화학 에너지로 매우 효율적으로 변환합니다."
.그러나 D 'Hondt와 그의 동료들은 퇴적물 코어의 수소가 거의 뚫린 것을 발견했습니다. D 'Hondt는“수소가 생성되는 것은 무엇이든 사라지고 있습니다. 연구원들은 퇴적물에 사는 미생물에 의해 소비되고 있다고 생각합니다.
그들의 모델에 따르면, 수백만 년이 넘는 깊은 퇴적물에서, 방사성 수소가 유기물보다 더 빨리 생산되고 소비되고있다. 전세계 해양 퇴적물 환경에서 이용 가능한 총 에너지의 1% -2%만을 차지하지만, 다른 98%는 유기 탄소에서 비롯되며, 퇴적물이 어릴 때 대부분 소비되는 유기 탄소에서 발생합니다. 그 효과는 여전히 상당히 상당합니다. 남부 캘리포니아 대학교의 행성 과학자 인 Doug Larowe는“느리게 될 수 있습니다. 그러나 지질 학적 관점과 지질 학적 시간에…
Sauvage는 방사성 분해가“지구상의 상당한 미생물체를위한 생체 이용 가능한 에너지의 기본 원인이라는 것을 의미한다고 Sauvage는 대륙뿐만 아니라 바다 아래에서도 말했다. "매우 인상적입니다."
생명의 기원을위한 자연 실험실
방사선 분해의 새로운 과학적 중요성은 극한 환경에서 생명을 유지하는 방식과 관련이있을 수 있습니다. 또한 비 생물 적 유기 합성이 지구와 다른 곳에서 생명의 기원의 무대를 어떻게 설정했는지를 밝힐 수 있습니다.
Sherwood Lollar는 캐나다 광산 주변의 폐쇄 된 환경 시스템에서 대부분의 탄소 함유 화합물이 비 생물 적으로 생산 된 것으로 보인다는 팀의 최근 관찰에 의해 활기를 띠게되었습니다. "이것은 지구상에서 생명의 번짐이 모든 것을 오염시키지 않은 몇 안되는 곳 중 하나입니다."라고 그녀는 말했습니다. “그리고 그것들은 지구상에서 꽤 희귀하고 귀중한 곳입니다.”
그들의 독특한 가치의 일부는 그것들이“생명이 생기기 전에 우리 지구가 가지고 있었던 프리 바이오 틱 수프 일 수있는 것에 대한 아날로그가 될 수 있다는 것”이라고 그녀는 계속했다. 이런 종류의 지하 환경에서 생명이 생기지 않더라도 (열수 통풍구와 같은 지구의 고 에너지 지역은 여전히 원산지 이야기를위한 가능성있는 장소입니다. 그것은 표면에서 발견 된 위험과 같은 방사선에서 멀리 떨어진 곳에서 멀리 떨어진 시간 동안 생명이 오래 지속될 수있는 안전한 장소를 제공했습니다.
.모델링 및 실험 연구는 간단한 시스템 (예를 들어 수소, 이산화탄소 및 황산염으로 구성된)조차도 매우 복잡한 미생물 식품 웹로 이어질 수 있음을 보여주었습니다. 방사성 분해에서 믹스에 포르 메이트 및 아세테이트와 같은 화합물을 첨가하면 잠재적 인 생태 학적 환경이 상당히 넓어 질 수 있습니다. 또한 아세테이트와 포르 테이트는보다 복잡한 유기물을 형성 할 수 있기 때문에 더욱 다양한 시스템을 일으킬 수 있습니다. 스위스 연방 기술 Institute of Technology Zurich의 지질 학자 인 Cara Magnabosco는“이러한 복잡성으로 생명을 유지하는 것이 중요합니다.
Larowe는“[방사성 해제]가 포르 메이트 및 아세테이트와 같은 기본 유기 탄소 만 만들 수 있다고 가정 해 봅시다. “이 화합물을 다른 환경 환경으로 옮기면 다른 것을 형성하기 위해 그곳에 반응 할 수 있습니다. 그들은 다른 환경에서보다 복잡한 반응을 위해 스타터 또는 피더 재료가됩니다.” 그것은 심지어 과학자들이 아미노산과 다른 중요한 삶의 빌딩 블록이 어떻게 생겼는지 이해하는 데 더 가깝게 만드는 데 도움이 될 수 있습니다.
Sherwood Lollar는 현재 Cifar Earth 4D 프로젝트의 동료를 포함한 다른 과학자들과 협력하여 고대 캐나다 물에 존재하는 유기 분자가 당면한 화학을 "복잡하게"하는 방법을 연구하고 있습니다. Paris Earth Physics의 지반 학자 인 Bénédicte Menez는“올해 말에 출판하기를 바라고 있습니다. 그녀의 목표는 가장 복잡한 유기 구조가 어떻게 형성되고 이후 가장 초기의 미생물 대사에서 역할을 할 수 있는지 결정하는 것입니다.
우주 생물 학자들은 또한 태양계와 나머지 은하 전역에서 행성과 달의 거주 성을 제한 할 때 방사선 분해를 고려하는 것이 얼마나 중요한지를 깨닫고 있습니다. 햇빛, 고온 및 기타 조건은 외계 생명을 유지하기 위해 엄격하게 필요하지 않을 수 있습니다. 방사선 분해는 지하에 물이있는 모든 바위 행성에서 실질적으로 유비쿼터스해야합니다.
화성을 가져 가라. 한 쌍의 연구에서, 한 쌍의 연구에서, 하나는 몇 년 전, 다른 한 달에는 타르나, 머스타드, 셔우드 롤러 및 기타 연구원들이 지구상의 방사선 분석에 대한 정량적 작업을 화성 지하 표면으로 번역했습니다. 그들은 지구의 미네랄 구성 및 기타 매개 변수를 바탕으로 오늘날 화성은 방사선 분해만으로 지구상의 미생물 생태계를 유지할 수 있음을 발견했습니다. 과학자들은 미생물 농도가 가장 큰 지구의 영역을 확인했으며, 이는 미래의 임무를 목표로해야 할 곳을 안내 할 수 있습니다.
.Inagaki는“정말 매력적입니다. 우리는 현재 지구의 행성 내부와 우주의 다른 세계에서 미생물 생물을 연구하는 데 입자 물리학이 필요한 시대에 있습니다.”
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