Húszemeletes tornyok lehettek az élet bölcsői

Darwin még a meleg felszíni pocsolyákban képzelte el az első élőlényeket, a legújabb kutatások szerint azonban az óceánok mélyén kell keresni őket, ahol ásványokban gazdag forró víz tör fel a kéregből. Bár e fekete füstölgőknek nevezett, kéményszerű alakzatok körül nagyon különleges fajok élnek, a legújabb kutatási eredmények szerint mégis hűvösebb hasonmásaik, a fehér füstölgők esélyesebbek az élet bölcsői címre.

A Föld szárazföldjein meglehetősen kevés hely vár még fölfedezésre. Az is valószínűtlen, hogy valami eddig nem látott, különleges természeti csodára bukkanunk ezeken a helyeken. Teljesen más a helyzet azonban a bolygónk majd háromnegyedét borító óceánok mélyén, ahol szinte minden kutatóexpedíció meglepő dolgokat talál. A tenger alatti természeti képződmények között is bámulatosak az 1970-es években felfedezett fekete füstölgők, és még érdekesebbek a 2000-ben megtalált fehér füstölgők.

Fekete füstölgők

A fekete füstölgők tenger alatti hőközpontok, ahol az utóvulkáni tevékenység keretében forróvizes oldatok törnek fel. A feltörő forró víz hirtelen a hideg tengervízbe kerül, ezért sok kémiai anyag válik ki belőle. Emiatt jön létre az általában vas-szulfid-ásványoktól sötét, kavargó füstre emlékeztető jelenség, amelyről a képződmények a nevüket kapták. A forrás felett a 300-400 Celsius-fokon kiváló anyagok általában több méter magas kürtőt is alkothatnak. Az eddig megfigyelt legnagyobb fekete füstölgő 150 méter átmérőjű és 50 méter magas. Naponta több centimétert is növekedhetnek, és egy-egy fekete füstölgő akár 100 ezer évig aktív maradhat.

Az első fekete füstölgőt 1977-ben az Alvin tengeralattjáróval fedezték fel a csendes-óceáni Galápagos-hátságnál, ahol több száz fajból álló ökoszisztémát találtak, többnyire addig ismeretlen élőlényekkel. A tápláléklánc alján egyszerű, részben kemoszintetizáló, extremofil (szélsőséges életkörülményeket kedvelő) élőlények - baktériumok és archeák (lásd keretes írásunkban) - találhatók, amelyekre puhatestűek, csigák, csőférgek, kagylók, rákok alkotta életközösség épül. A környezet meleg, sötét, általában savas kémhatású, mérgező gázok és nehézfémek, valamint hatalmas hidrosztatikus nyomás jellemző rá. Az itt felfedezett életközösség volt az első, amelynek léte nem a Naptól, hanem egy másik energiaforrástól, a Föld belső hőjétől függött.

Archeák és az élővilág háromdoménes rendszere

Az élővilág három nagy birodalma (doménje). A rendszert Carl Woese dolgozta ki a múlt század második felében. Az élővilág filogenetikus osztályozásának legmagasabb egységeit az archeák (Archaea), a baktériumok (Bacteria) és az eukarióták alkotják.

Az archeák és a baktériumok csoportja a korábbi prokarióták kettéválasztásával jött létre. Az archeák felépítése hasonló a baktériumokéhoz, de elkülönítésüket számos jellemzőjük indokolja. Ezek közé tartozik például, hogy genetikai anyaguk átírása (transzkripció) és "lefordítása" (transzláció) sok szempontból az eukarióta szervezetekben megfigyeltekhez hasonló, valamint az archeák lipidjeinek szerkezete eltér mind a baktériumokban, mind az eukariótákban található lipidekétől. Az archeákra korábban szinte kizárólag extrém - például szélsőségesen forró, oxigénhiányos - környezetekben bukkantak rá, de a tudósok újabban egyre több "normális" környezetben élő archeát fedeznek föl.

A fekete füstölgők barátságtalan körülményei közt megfigyelhető virágzó élővilág olyan elképzelések kidolgozására késztetett egyes kutatókat, melyek szerint talán ilyen helyszíneken jöhetett létre az élet. A fekete füstölgők alaposabb tanulmányozása után azonban kiderült, hogy az itt található élővilág jóval összetettebb (még a baktériumokat tekintve is), mint amilyen az élet hajnalán kialakulhatott. Ráadásul még az itt élő egysejtű szervezetek is oxigénfüggők, ami eleve kizárja, hogy a földtörténet korai szakaszában létrejöhettek volna, hiszen akkor nem létezett számottevő szabad oxigén a légkörben (így a vizekben sem).

Fehér füstölgők

A fehér füstölgőket 2000. december 5-én fedezték fel a Bermuda- és a Kanári-szigetek között húzódó Atlantis-fenékhegy feltérképezése közben. A fekete füstölgőknél jóval magasabb, akár egy húszemeletes ház magasságát is elérő tornyok egy forróvíz-feltörésekben gazdag hasadékrendszer mentén emelkednek az óceáni aljzat fölé. A kéményszerű formák itt is a forró víz ásványainak kiválásával keletkeznek. A krémszínű és szürkés színezetű képződmények anyaga főleg karbonátos ásványokból (jórészt kalcium-karbonát) és szilícium-dioxidból áll. A kutatók annak idején Lost City (Az elveszett város) névre keresztelték el a kéményszerű formák titokzatos tenger alatti világát.

A Lost City fehér füstölgői

A fehér füstölgők talapzata alatt oldódás, bennük pedig ásványkiválás zajlik. A fehér füstölgőkből feltörő víz lúgos kémhatású (pH 9-11, ami megfelel a háztartási ammónia lúgosságának). A fehér füstölgők - nevükkel ellentétben - nem "füstölögnek", mert a bennük felszínre érkező víz jóval kevesebb fémtartalmú ásványt tud kioldani a kőzetekből, így nyílásaiknál nem alakul ki a fekete fémszulfid "füst". A kiáramló víz is sokkal hidegebb (rendszerint nem haladja meg a 90 Celsius-fokot), mint a fekete füstölgőknél.

Élet a fehér tornyokban

A fehér füstölgők életközössége jóval egyszerűbb, mint a fekete füstölgőké. Elsősorban az archeákhoz tartozó primitív, úgynevezett metanogén (az energiaszükségletüket a napenergiától teljesen függetlenül, hidrogénből és szén-dioxidból metánt előállítva fedező) baktériumokat találtak a környékükön. Éppen ez az egyszerűség keltette fel a kutatók figyelmét, és kezdtek azon gondolkodni, hogy az itteni körülmények alkalmasak lehettek-e az élet kialakulásához.

A kürtőket tanulmányozva a kutatók megfejtették, milyen kémiai folyamatoknak köszönhetően jöttek létre ezek a képződmények (lásd második keretes írásunkat). Kiderült, hogy az itt zajló geokémiai folyamatok miatt a víz rendkívül gazdag oldott redukáló gázokban (például hidrogénben, metánban és szulfidokban). A redukáló gázokról pedig már régóta úgy vélik, hogy nélkülözhetetlenek az élet létrejöttéhez. A biokémikus William Martin és a geokémikus Michael Russell azt is feltételezi, hogy a fehér füstölgőknél élő baktériumok metánt előállító biokémiai folyamatai megegyeznek a füstölgők kialakulásában szerepet játszó, metántermelő kémiai folyamatokkal. Úgy tűnik, mintha az ősi egysejtű élőlények beépítették volna a sejtjeikbe a környezet egyik kész kémiai rendszerét.

A fehér füstölgők kémiája és az élet

A Földet úgy képzelhetjük el, mint egy barackot. A héj a Föld kérgének, a hús a szilárd köpenyének, a mag pedig az Föld részben olvadt vasmagjának felel meg. A földköpeny anyaga egyes helyeken "kitüremlik" a kéreg alól, így jött létre például a fehér füstölgők legismertebb előfordulási helye, a Lost City.

A földköpeny egyik gyakori kőzete a peridotit, és éppen ennek a kőzetnek köszönhető a Lost City különleges kémiája. Amikor a peridotit vízzel érintkezik, akkor egy kémiai reakció, úgynevezett szerpentinizáció játszódik le. Ahogy a tengervíz beszivárog a tenger alatti hegység mélyébe, a peridotit szerpentinitté alakul át, az átszűrődő, felmelegedő víz pedig lúgosodik és kalciumban gazdaggá válik a reakció következtében.

Amikor a víz újra kiáramlik a kürtőkön át és összekeveredik a tengervízzel, kalcium-karbonát képződik és válik ki a kürtők tetején, létrehozva a fehér füstölgőket. A reakció ezenkívül energiadús gázokkal - többek közt hidrogénnel - telíti a kürtőben áramló folyadékokat, ami lehetővé teszi a mikrobáknak (például a metanogén baktériumoknak), hogy megéljenek a kürtők falának belső és külső felületén. Az életben maradáshoz még közvetetten sincs szükségük a Nap energiájára.

Végül a szerpentinizáció olyan kémiai körülményeket hoz létre, amely lehetővé teszi szerves anyagok szintézisét szervetlenből, ami az élet kialakulásának alapfeltétele.

A fehér füstölgők kutatása nemcsak az élet kialakulásának megfejtéséhez vihet közelebb, de a Földön kívüli élet tanulmányozásához is segítséget nyújthat. A földi füstölgőkhöz részben hasonló környezetek elméletileg előfordulhatnak az Europa nevű Jupiter-hold jégpáncélja alatti óceán aljzatán, amelyeket az árapályhatáskor felszabaduló energia fűthet. Hasonló, de nem tenger alatti vulkáni hőforrások létezhetnek a Marson is, mélyen a felszín alatt, ahol vulkáni hő és jég együttesen fordul elő.