Livsprocesser i hydrotermala Livsprocesser i hydrotermala system?system?

Nils HolmNils Holm

Institutionen för geologiska vetenskaperInstitutionen för geologiska vetenskaper

Stockholms universitetStockholms universitet

Liv kan karaktäriseras Liv kan karaktäriseras med fyra egenskapermed fyra egenskaper

Replikationsförmåga (självreproduktion)Replikationsförmåga (självreproduktion)Behov av energi och katalysförmåga Behov av energi och katalysförmåga

(metabolism)(metabolism)MutationsförmågaMutationsförmågaAvgränsning mot omvärlden med hjälp av Avgränsning mot omvärlden med hjälp av

membranmembran

Löses bäst med kolkemi i flytande vatten som mediumLöses bäst med kolkemi i flytande vatten som medium

Komponenter i systemet JordenKomponenter i systemet Jorden

IODPIODPInitialInitialSciencScienceePlanPlan

Meteoritnedslag slog Meteoritnedslag slog kanske ut det tidigaste kanske ut det tidigaste

livetlivet

Några gamla idéer om tillgängliga Några gamla idéer om tillgängliga energikällor på Jordenenergikällor på Jorden

C. German

Plattkantsgränser i djuphavetPlattkantsgränser i djuphavet

Djuphavsbottnarnas Djuphavsbottnarnas uppbyggnaduppbyggnad

Oceanbottenplatta från Oceanbottenplatta från nybildning till uppsmältningnybildning till uppsmältning

Cirkulation av havsvatten genom Cirkulation av havsvatten genom jordskorpan i djuphavsbottnarnajordskorpan i djuphavsbottnarna

Degens,Degens,19891989

’’Svarta rökare’ i djuphavenSvarta rökare’ i djuphaven på Jorden på Jorden

CourtesyCourtesyDelaney Delaney and and RobigouRobigou

Huvudsakliga flöden av Huvudsakliga flöden av vatten i jordskorpanvatten i jordskorpan

Vatten circulerar genom havsbottenVatten circulerar genom havsbotten under lång tid efter att den bildats under lång tid efter att den bildats

Edwards, Bach and McCollom, 2005

En jordskorpeplattas oceaniska En jordskorpeplattas oceaniska del konsumeras i en del konsumeras i en

subduktionszonsubduktionszon

Olika järnhaltiga mineral i Olika järnhaltiga mineral i djuphavsbottnarnadjuphavsbottnarna

OlivinOlivin (Mg,Fe) (Mg,Fe)22SiOSiO44

PyroxenerPyroxener Ca(Mg,Fe)Si Ca(Mg,Fe)Si22OO66 augit augit

(Mg,Fe)SiO(Mg,Fe)SiO33 hypersten hypersten

Amfibol Amfibol Ca Ca22(Mg,Fe)(Mg,Fe)55SiSi88OO2222(OH)(OH)2 2 hornblendehornblende

Dessa mineral är också vanliga i kosmiskt damm!!Dessa mineral är också vanliga i kosmiskt damm!!

Vittringsbenägenhet hos olika Vittringsbenägenhet hos olika mineralmineral

Serpentinisering av olivinSerpentinisering av olivin

5Mg5Mg22SiOSiO44 + Fe + Fe22SiOSiO44 + 9H + 9H22O =O = olivin olivin

3Mg3Mg33SiSi22OO55(OH)(OH)44 + + Mg(OH)Mg(OH)2 2 + 2Fe(OH)+ 2Fe(OH)22

serpentinserpentin brucitbrucit

3Fe(OH)3Fe(OH)22 = = FeFe33OO44 + + HH22 + 2H + 2H2200 magnetitmagnetit väteväte

Den vätgasdrivna Den vätgasdrivna ’djupbiosfären’’djupbiosfären’

Pedersen, 2000

Methanococcusjannaschii

En extremt thermofilarkéTemp max 94C opt 85C

Upptäckt ~1983

CO2 + 4H2 <-> CH4 + 2H2O

Livets tre ’kungariken’Livets tre ’kungariken’

Fischer-Tropschsyntes IFischer-Tropschsyntes I

Den industriella processen:Den industriella processen:

CO + HCO + H22 organiska ämnenorganiska ämnen

koloxidkoloxid väteväte

I närvaro av olika metaller och metalloxiderI närvaro av olika metaller och metalloxider

Fe or ZnO(+FeFe or ZnO(+Fe22OO33, Cr, Cr22OO33))

ZnO+CrZnO+Cr22OO3 3 raka alkoholer raka alkoholer

ZnO+ ZnO+ FeFe22OO3 3 raka kolväten raka kolvätenHägg, 1966

Fischer-Tropschsyntes IIFischer-Tropschsyntes II

Inom geokemin används termen ’Fischer-Inom geokemin används termen ’Fischer-Tropschsyntes’ ofta – men felaktigt – för att Tropschsyntes’ ofta – men felaktigt – för att beskriva för hur metangas kan bildas direkt beskriva för hur metangas kan bildas direkt från koldioxid och vätgas:från koldioxid och vätgas:

COCO22 + 4H + 4H22 CH CH44 + 2H + 2H22O (Sabatierreaktion)O (Sabatierreaktion)

magnetit

Gashydrat polyedrar;Gashydrat polyedrar;den vanligaste - 5den vanligaste - 51212-’buren’ -’buren’

koordinerarkoordinerar 20 syreatomer 20 syreatomer

Metanmolekyl adsorberad i Metanmolekyl adsorberad i ett mellanskikt i smektitleraett mellanskikt i smektitlera

Sposito et al., 1999

Site 1225 Site 1231

Nitrate (µM)

Depth (mbsf) Depth

(mbsf)

~40 Ma Basalt

~ 11 Ma Basalt

0 10 20 30 40 50

0 10 20 30 40 50

Löst NOLöst NO33- - i i

porvatten från porvatten från ODP Leg 201ODP Leg 201

‘‘NONO33-- och NO och NO22

-- omvandlas omvandlas snabbare till NHsnabbare till NH44

++ än N än N22, speciellt i , speciellt i närvaro av metalliskt Fe och Ni’närvaro av metalliskt Fe och Ni’

Smirnov et al., 2008Smirnov et al., 2008

Karbonatupplösning över topografiska Karbonatupplösning över topografiska höjder i ekvatoriella Stilla havets höjder i ekvatoriella Stilla havets

berggrundberggrund

Bekins et al., 2007

Nitrit och nitrat Nitrit och nitrat reduceras till reduceras till ammonium i ammonium i närvaro av närvaro av

elementärt Fe elementärt Fe och Nioch Ni

Smirnov et al., 2008Smirnov et al., 2008

C. German

Plattkantsgränser i djuphavetPlattkantsgränser i djuphavet

Vätgas och metan i några Vätgas och metan i några hydrotermala källorhydrotermala källor

område bergart TC pH H2(mmol/kg) CH4(mmol/kg)

Lost City peridotit 90 10-12 15 1-2

30N +gabbro (Kelley et al, 2001)

Rainbow peridotit 350 3-4 13.0 2.5

3614’N +gabbro (Donval et al.,1997)

Lucky Strike basalt 308-324 3.8-6.4 0.04-0.72 0.3-0.7

3717’N (Charlou et al., 2000)

Raka kolväten i hetvatten (Raka kolväten i hetvatten (364364C)C) från från Rainbows hydrotermalfält i AtlantenRainbows hydrotermalfält i Atlanten

Holm andHolm andCharlou,Charlou,20012001

Subduktionszonen i Subduktionszonen i MarianergravenMarianergraven

Marianergraven i västraStilla havet (Mottl et al., 2003)

En jordskorpeplattas oceaniska En jordskorpeplattas oceaniska del konsumeras i en del konsumeras i en

subduktionszonsubduktionszon

Oceanbottenplatta från Oceanbottenplatta från nybildning till uppsmältningnybildning till uppsmältning

Sammansättning av porvatten i Sammansättning av porvatten i lervulkanen South Chamorro lervulkanen South Chamorro

SeamountSeamount

Mottl et al.,Mottl et al.,20032003

Sammansättning av porvattnet från Sammansättning av porvattnet från South Chamorro Seamount (forts)South Chamorro Seamount (forts)

Mottl et al., Mottl et al., 20032003

Beståndsdelarna i RNABeståndsdelarna i RNA(ribonucleic acid)(ribonucleic acid)

Schwartz, 1998

Hsiao et al.,2009

Hsiao et al., 2009

Mg(II) kan inkorporera syreatomer i Mg(II) kan inkorporera syreatomer i oxyanioner in i sitt inre hydreringsskaloxyanioner in i sitt inre hydreringsskal

BrucitstrukturenBrucitstrukturen

Det vanligaste MgDet vanligaste Mg2+2+-komplexet -komplexet

bildas med syre i bildas med syre i - and γ-PO- and γ-PO44

Cyanväte kan bilda aminosyror och Cyanväte kan bilda aminosyror och de kvävebaser som ingår i RNA de kvävebaser som ingår i RNA

och DNAoch DNA

Ferris,1984

Alla de biologiskt viktiga Alla de biologiskt viktiga purinerna finns i relativt purinerna finns i relativt höga mängder i höga mängder i kolhaltiga meteoriter kolhaltiga meteoriter (carbonaceous (carbonaceous chondrites) , men bara chondrites) , men bara en pyrimidin (uracil) har en pyrimidin (uracil) har hittats - och det i hittats - och det i mycket lägre mycket lägre koncentrationerkoncentrationer

Pentosbildning i närvaro av Pentosbildning i närvaro av boratborat

Ricardo Ricardo et al.,et al.,20042004

Mars – den röda planetenMars – den röda planeten

Oliviner vid foten av Syrtis Oliviner vid foten av Syrtis Major-vulkanen på planeten Major-vulkanen på planeten

MarsMars

Hoefen et Hoefen et al.,al.,20032003

Var bildas metan på Mars?Var bildas metan på Mars?

Olympus Mons – Olympus Mons – största vulkanen i vårt största vulkanen i vårt

solsystemsolsystem

Jupiters måne EuropaJupiters måne Europa

Europas isytaEuropas isyta

Issprickor av olika ålderIssprickor av olika ålder

Planer för framtidenPlaner för framtiden

Liv bortom Jorden?Liv bortom Jorden?Personliga slutsatser:Personliga slutsatser:

Kanske kan livsprocesserna bara komma igång Kanske kan livsprocesserna bara komma igång om det finns någon typ av platt-tektonikom det finns någon typ av platt-tektonik

Liv på Mars – nja, kanskeLiv på Mars – nja, kanskeEuropa – knappast, men möjlighen finnsEuropa – knappast, men möjlighen finnsLiv på exoplaneter – fullt möjligt!