Gli esperti affermano che la comprensione scientifica degli idrocarburi profondi è stata trasformata, con nuove intuizioni acquisite sulle fonti di energia che avrebbero potuto catalizzare e nutrire le prime forme di vita della Terra.

Durante gli ultimi cento anni gli scienziati hanno elaborato in dettaglio come gli idrocarburi, i combustibili fossili" prelevati dai serbatoi nella crosta terrestre per riscaldare ed alimentare le case, veicoli, e l'industria - hanno un'origine biotica, derivato dalle piante interrate, animali, e alghe di eoni passati.

Ma per alcuni idrocarburi, specialmente il metano, l'incolore, ingrediente principale inodore nel gas naturale:la natura ha molte ricette, alcuni dei quali sono "abiotici, non derivati ​​dal decadimento della vita preistorica, ma creato inorganicamente da processi geologici e chimici nelle profondità della Terra.

Gli idrocarburi abiotici sono stati uno degli obiettivi principali della comunità Deep Energy del programma Deep Carbon Observatory, un'esplorazione di 10 anni dei segreti più intimi della Terra, concludendo in ottobre.

Gli esperti DCO ritengono che un'origine abiotica del metano spieghi la maggior parte degli eventi insoliti del gas, comprese le fiamme di Chimera nel sud-ovest della Turchia.

Chimera non si trova in cima a depositi convenzionali di petrolio e gas prodotti dai residui organici in decomposizione di epoche precedenti. E ancora, dozzine di piccoli fuochi hanno bruciato per millenni in questo sito in cima a una montagna.

Le antiche spiegazioni per le fiamme includevano il respiro di un mostro, in parte leone, parte capra, parte serpente. La ragione scientifica meno colorata:metano abiotico altamente infiammabile e idrogeno che salgono sulla superficie terrestre dal profondo sotto.

Chimaera è tra le centinaia di siti più fotogenici e famosi in cui sono state trovate fonti abiotiche di metano in più di 20 paesi e in diverse regioni oceaniche profonde finora.

Il collaboratore DCO Giuseppe Etiope dell'Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia di Roma ha documentato il sito della Chimera e diversi altri ambienti in cui sono stati trovati casi insoliti di metano, Compreso:

• Antichi scudi precambriani:roccia nel cuore dei continenti formatasi fino a 3 miliardi di anni fa
• Sul fondo dell'oceano (ad es. bocche ad alta temperatura su e vicino a dorsali oceaniche e vulcani di fango eruttanti)
• Sui continenti (infiltrazioni e sorgenti e falde acquifere iper-alcaline).

Mentre diversi tipi di roccia sono presenti in tutti questi ambienti, lui nota, molte scoperte si sono concentrate su luoghi con specifiche, idonei tipi di rocce "ultramafiche" come la peridotite (una roccia ignea a grana grossa) inclusa nei massicci e le ofioliti (insiemi di rocce formati dall'eruzione sottomarina di materiale della crosta oceanica e del mantello superiore).

Oggi si pensa che il metano abiotico terrestre derivi principalmente dall'idrogeno creato dall'idratazione delle rocce ultramafiche in fase di "serpentinazione", una reazione che si verifica quando l'acqua incontra l'olivina minerale.

L'idrogeno nutre anche le fonti biologiche di metano. I ricercatori DCO hanno documentato un vasto ecosistema microbico, una profonda biosfera alimentata dall'idrogeno. Molti dei microbi profondi, chiamati metanogeni, metabolizzare l'idrogeno per produrre metano.

La biosfera profonda ha quindi proposto uno scenario di galline e uova:che è venuto prima, metano abiotico o microbi? Se venisse prima il metano abiotico, come sembra ovvio, ha dato origine ai primi microbi della Terra? E se i microbi venissero prima, come e perché abitavano luoghi quasi privi di sostentamento?

Un obiettivo decennale:individuare le origini del metano sulla Terra

Quando il progetto Deep Carbon Observatory è iniziato nel 2009, La comunità Deep Energy di DCO, ora composta da oltre 230 ricercatori provenienti da 35 nazioni, fissare l'obiettivo decennale di individuare le origini del metano sulla Terra.

Alcuni hanno ipotizzato che giacimenti di metano insoliti, cioè quelli che non potrebbero essere di origine biotica, devono formarsi attraverso reazioni chimiche che si verificano nelle rocce circostanti.

Altri hanno suggerito che i microbi hanno contribuito alla produzione di metano in alcuni giacimenti, metabolizzare l'idrogeno per creare metano in un processo completamente diverso.

Altri hanno ipotizzato che il metano potrebbe avere origine più in profondità nella Terra, nel mantello superiore, e si diffondono verso la superficie. (All'Università Gubkin di Mosca, il ricercatore Vladimir Kutcherov sta conducendo esperimenti per testare la produzione di metano in condizioni di alta pressione simulate in laboratorio del mantello superiore della Terra).

All'inizio del suo mandato, il DCO ha deciso di investire in una nuova strumentazione analitica per superare alcune delle limitazioni alla decifrazione dell'origine del metano.

Con investimenti strategici in strumentazione e numerosi campioni sul campo, I partner di DCO si sono proposti di sperimentare nuovi strumenti investigativi per distinguere il metano biotico della Terra da quello abiotico.

Nel 2014, tre nuovi strumenti sono entrati in funzione con il potenziale per cambiare il volto della scienza del carbonio profondo, e non hanno deluso, dice Edward Young, dell'Università della California, Los Angeles (UCLA), co-leader della Deep Energy Community di DCO con Isabelle Daniel dell'Università Claude Bernard Lyon 1 a Lione, Francia.

Utilizzando tecniche complementari di spettrometria di massa e spettroscopia di assorbimento, scienziati dell'UCLA, il California Institute of Technology (Caltech), Pasadena CA, e il Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge MA, stanno analizzando campioni di metano naturale per capire meglio come può essere prodotto il metano abiotico.

"Una molecola di metano (CH4) appare straordinariamente semplice, composto da soli cinque atomi, " dice il dottor Young. " Rari isotopi sia di idrogeno che di carbonio sono occasionalmente incorporati nelle molecole di metano, però, e la frequenza di questi isotopi "pesanti" rivela il segreto di come si sono formati e a quali temperature".

Di particolare valore diagnostico sono le molecole di metano che contengono più di un isotopo "pesante" ("isotopi agglomerati"). Queste molecole sono estremamente rare e possono essere distinte solo da strumenti con una risoluzione di massa estremamente elevata, sensibilità, e potere.

I collaboratori del DCO hanno utilizzato campioni di gas raccolti da Chimera, le profonde miniere del Canada, l'ofiolite dell'Oman, bocche idrotermali sul fondo dell'oceano, e siti aggiuntivi, e rimasero sorpresi da ciò che trovarono.

Sebbene l'interpretazione dei dati sia impegnativa, sembra che i microbi possano fare più di quanto inizialmente pensato.

Quanto metano abiotico?

"Vediamo curiose impronte biologiche in campioni che altrimenti sembrano avere una firma abiotica, " dice il dottor Daniel. "Sembra che i microbi sappiano come usare questi composti abiotici come combustibile".

"Abbiamo prove chiare e crescenti di metano abiotico sulla Terra. Ciò che non è chiaro è quanto ce ne sia. Queste indagini hanno trovato un'incredibile complessità nel modo in cui viene prodotto il metano, e queste complessità collegano la chimica inorganica e organica sulla Terra in modi affascinanti".

Aggiunge il dott. Young:"Siamo entrati in questo progetto pensando di sapere come si è formato il metano abiotico. Quello che stiamo imparando è che è molto più complicato, e la chiave più grande è l'idrogeno. Con una maggiore comprensione di come le rocce producono l'idrogeno da cui deriva il metano, e quanto velocemente avviene questa reazione, saremo molto più vicini a sapere quanto metano c'è sulla Terra".

Jesse Ausubel della Rockefeller University di New York osserva che la definizione popolare di "combustibile fossile" non copre il metano abiotico.

"Migliaia di campioni da molti ambienti testati con strumenti supersensibili stanno producendo un quadro globale delle abbondanze e dei flussi di energia profonda. Gran parte degli idrocarburi molto profondi non è combustibile fossile convenzionale, come comunemente definito."

I comportamenti del metano biotico e abiotico, dovrebbe essere notato, in termini di produzione di energia ed emissioni in caso di combustione, sono indistinguibili.

Risultati chiave fino ad oggi:

• Grazie a nuovi strumenti, gli scienziati hanno identificato nuove firme isotopiche nel metano per aiutare a determinarne la provenienza, cosa impossibile 10 anni fa
• La reazione di serpentinizzazione è meglio compresa ed è uno dei tanti modi in cui le rocce della Terra producono idrogeno molecolare, una fonte chiave di energia geologica per la biosfera profonda
• Che l'idrogeno reagisca con l'anidride carbonica per produrre metano era noto da tempo. Come questo accade nella crosta terrestre, però, è molto complesso, e molte altre molecole organiche vengono create come sottoprodotti nel processo. Queste molecole possono essere utilizzate dai microbi come fonte di cibo. Rappresentano anche indizi intriganti sulle origini della vita sulla Terra, poiché queste molecole organiche possono essere precursori per gli elementi costitutivi della vita (ad es. aminoacidi)
• Con condizioni simili e reazioni probabili su altri pianeti e lune (ad es. il sottosuolo di Marte o sul fondo oceanico di Encelado), rafforza la potenziale identificazione di dove potrebbe esistere la vita altrove nell'universo
• Gli studi sui sistemi di serpentinizzazione hanno trovato altri idrocarburi abiotici oltre al metano.

Implicazioni future:

Queste indagini su come si forma il metano abiotico sulla Terra non sono la fine della storia, ma piuttosto l'inizio.

Gli ultimi 10 anni hanno visto cambiamenti trasformativi nella nostra comprensione delle origini del metano sulla Terra e del suo ruolo fondamentale nel sostenere la biosfera profonda, fornendo uno sguardo sui processi geologici che potrebbero aver posto le basi per la vita.

Con queste nuove scoperte, siamo pronti a rispondere a numerose grandi domande, come:

• Quanto metano abiotico viene prodotto sulla Terra?
• Quanto metano producono i microbi della biosfera profonda della Terra?
• Quanto consumano i microbi?
• Quali sono i movimenti e i destini del metano abiotico? e
• Dove viene immagazzinato il metano abiotico e per quanto tempo?

Il successo della ricerca del progetto non ha solo cambiato la percezione della generazione di energia nelle profondità della Terra, ma anche su come la vita possa aver trovato un punto d'appoggio sul nostro pianeta.

E se l'energia abiotica si verifica sulla Terra, quanto è probabile che reazioni e vita simili si siano verificate altrove nel cosmo?

Questa ricerca Deep Energy pubblicata oggi è il risultato del programma Deep Carbon Observatory, che pubblicherà il suo rapporto finale nell'ottobre 2019 dopo un decennio di lavoro da parte di una comunità globale di oltre 1000 scienziati per comprendere meglio le quantità, movimenti, forme, e le origini del carbonio all'interno della Terra.