La scoperta negli anni '70 delle bocche idrotermali, dove i vulcani sul fondo del mare producono fluido caldo superiore a 350 gradi Celsius, o 662 gradi Fahrenheit, ha cambiato radicalmente la comprensione della Terra e della vita. Ancora, la vita sui fondali marini e sottomarini è ancora oggi un mistero.

È importante comprendere meglio queste aree vulcanicamente attive, poiché la chimica degli sfiati del fondo marino ha un impatto più generale sulla chimica dell'oceano. Inoltre, l'ambiente unico del fondo marino supporta processi biologici e non biologici che offrono indizi su come è iniziata la vita sulla Terra, come si mantiene nel tempo e il potenziale per la vita su altri corpi planetari.

Secondo il geochimico Jill McDermott, professore nel Dipartimento di Scienze della Terra e dell'Ambiente della Lehigh University, studi passati sulla chimica dei fluidi idrotermali hanno rivelato riduzioni in alcune specie di gas, come l'idrogeno molecolare. Si pensava che questi depauperamenti fossero causati da comunità microbiologiche che vivevano nei bassi fondali marini, collettivamente chiamata biosfera del fondo marino.

Però, i risultati di un nuovo studio di McDermott e colleghi contraddicono tale ipotesi. I ricercatori hanno analizzato campioni di fluido idrotermale a tenuta di gas dal campo di sfiato conosciuto più profondo del mondo, il campo idrotermale Piccard a Mid-Cayman Rise, che si trova ad una profondità di 4970 metri, o circa 16, 000 piedi sotto il livello del mare. Hanno osservato cambiamenti chimici nei loro campioni, compresa una grande perdita di idrogeno molecolare, che potrebbe essere solo il risultato di processi abiotici (non biologici) e termogenici (decomposizione termica), perché le temperature del fluido erano oltre i limiti che supportano la vita, inteso come 122 gradi Celsius, o circa 250 gradi Fahrenheit, o inferiore.

I risultati sono stati pubblicati oggi online in un articolo "Reazioni redox abiotiche nelle zone di miscelazione idrotermale:ridotta disponibilità di energia per la biosfera sotterranea" nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Altri autori includono:Christopher German, Senior Scientist in Geologia e Geofisica e Jeffrey Seewald, Senior Scientist in Chimica Marina e Geochimica e Sean Sylva, Assegnista di ricerca III, in chimica marina e geochimica presso la Woods Hole Oceanographic Institution; e Shuhei Ono, Professore Associato, Istituto di Tecnologia del Massachussetts.

"Il nostro studio rileva che questi cambiamenti nella chimica sono guidati da processi non biologici che rimuovono l'energia prima che le comunità microbiche vi accedano, " dice McDermott. "Questo potrebbe avere implicazioni critiche per limitare la misura in cui i cicli geochimici globali possono sostenere una biosfera profonda, e per il bilancio globale dell'idrogeno".

Aggiunge "Ciò significa anche che la biosfera del sottosuolo sta probabilmente ricevendo meno energia di quanto chiunque avesse realizzato in precedenza. Il grado in cui il consumo non biologico di idrogeno nella crosta oceanica può ridurre l'impatto della vita che abita il fondo marino è un ottimo obiettivo per studi futuri. "

Utilizzando l'analisi chimica dei gas disciolti, composti inorganici, e composti organici, il team ha scoperto che i campioni di fluido a bassa temperatura provenivano dalla miscelazione tra l'acqua di mare e i vicini fumatori neri di Beebe Vents, così chiamato perché il fluido espulso dalle bocchette assomiglia al fumo nero di un camino. In questi campioni di fluidi misti, molte specie chimiche hanno un'abbondanza alta o bassa, secondo McDermott. Il campione con i maggiori cambiamenti nella quantità di gas aveva una temperatura del fondale marino di 149 gradi Celsius, o 300 gradi Fahrenheit, una temperatura troppo calda per ospitare la vita. Così, hanno concluso, il processo responsabile dei cambiamenti geochimici non poteva coinvolgere direttamente la vita.

Le reazioni non biologiche che hanno identificato come responsabili di questi spostamenti chimici includono la riduzione dei solfati e la degradazione termica della biomassa, e sono supportati da considerazioni di bilancio di massa, misurazioni di isotopi stabili, e calcoli chimico-energetici.

I campioni sono stati raccolti durante due spedizioni di ricerca utilizzando due veicoli telecomandati, Giasone II e Nereo, entrambi progettati per l'esplorazione di acque profonde e per condurre una vasta gamma di indagini scientifiche negli oceani del mondo.

"Questo è stato un programma sul campo davvero entusiasmante che ci ha fornito una rara opportunità di esplorare la complessa interazione tra la chimica di un ambiente naturale e la vita che sostiene, " ha detto Seewald. "Siamo ora in una posizione molto migliore per stimare la quantità di vita microbica che può esistere sotto il fondo del mare".

Scoperto nel 2010, il campo idrotermale Piccard si trova appena a sud di Grand Cayman nei Caraibi. I campioni di fluido esaminati dai ricercatori sono stati sfiatati a 44-149 gradi Celsius (111-300 gradi Fahrenheit), fornendo una rara opportunità per il team di studiare la transizione tra ambienti di supporto vitale e non supporto vitale.

"La cosa bella (calda) di questo studio è che siamo stati in grado di trovare una serie di prese d'aria che si estendevano da dove faceva troppo caldo per la vita, dove era giusto, " dice German. "Quella serie di circostanze particolarmente carine ha aperto la possibilità di acquisire nuove intuizioni su ciò che la vita potrebbe (e potrebbe non) essere in grado di fare, giù sotto il fondo del mare."

È noto che i cambiamenti nella temperatura e nella composizione chimica del fluido di sfiato idrotermale servono come un importante controllo sulla struttura e sulla funzione della comunità microbica nella crosta oceanica in tutti gli oceani del mondo.

"Questa relazione esiste perché i fluidi idrotermali forniscono energia per specifiche reazioni metaboliche microbiche, " dice McDermott. "Tuttavia, la questione inversa se la chimica del fluido di sfiato sia modificata dalla vita stessa, o invece da processi non viventi, è importante che raramente viene affrontato."

La scoperta del team potrebbe servire ad aprire un nuovo percorso di esplorazione per valutare se i processi non biologici fungono da importanti controlli sulla disponibilità di energia, oltre ai processi microbici.