Tilbake til søkeresultatene

FRIPRO-Fri prosjektstøtte

Hydrothermal Production of Organic molecules: carbon transformation and Decomposition in ocean crust fluids

Alternativ tittel: Hydrotermisk produksjon av organiske molekyler: transformasjon og nedbrytning av karbonformer i havskorps varme kilder

Tildelt: kr 10,2 mill.

Prosjektnummer:

287364

Søknadstype:

Prosjektperiode:

2019 - 2024

Midlene er mottatt fra:

Geografi:

Samarbeidsland:

Den globale midthavsryggen er oversådd med dyphavsvarme kilder som gir næring til en "dyp biosfære" av eldgamle mikroorganismer, sannsynligvis de første som dukket opp på jorden. Havet regnes dermed som "livets vugge", men sammenhengen mellom denne tenkningen - potensialet for at oppløste organiske molekyler spontant kan dannes i disse varme kildevæskene - er en prosess vi ikke helt forstår. Gjennom det nylig fullførte HyPOD-eksperiment- og feltprogrammet som undersøker opprinnelsen til forskjellige organiske molekyler som dannes i varme, reduserende væsker som kommer fra disse akviferene, kan vi nå bekrefte at mange molekyler dannes av flere veier, inkludert termisk nedbrytning av mikrobiell karbon i skorpen, sedimentært organisk materiale og marint oppløst organisk materiale (DOM), i tillegg til ikke-biologisk reduksjon av karbondioksid (genererer abiotiske molekyler som liv kan dukke opp fra). Således har mange separate prosesser vist seg å bidra til en mangfoldig organisk 'meny' for livet på havbunnen, som dannes som en funksjon av ulike termiske påkjenninger på forløpermaterialene. Dette nøkkelresultatet kan, gjennom ytterligere analyser av væsker, bidra til å identifisere undergrunnsforhold for karbontransformasjon i hydrotermiske systemer på havbunnen. Både abiotisk syntese av livsopprinnelsesrelevante molekyler, og pyrolyse av allerede eksisterende organisk materiale har til nå vært dårlig studert fenomener under forhold med varme kilder i dyphavet, og etterlater store hull i vår forståelse av karbontransformasjon i havskorpen væsker. Å forstå hydrotermisk produksjon av de små organiske molekylene som nå kan påvises er avgjørende for å vurdere energikilder for bioteknologiske relevante mikrober, og en potensiell hydrotermisk opprinnelse til liv på jorden og andre havverdener i vårt solsystem (f.eks. Enceladus). HyPOD har demonstrert generering av forskjellige hydrokarboner, svovel-, nitrogen- og oksygenrike små organiske molekyler fra flere eksisterende karbonkilder i varme kilder, ved hjelp av avanserte eksperimenter med høy temperatur og trykk, banebrytende analytisk metoder og teoretiske modeller for å belyse mangfoldet, forskjellene og isotopsignaturene til organiske produkter dannet. Prosjektet har også resultert i en innsendt publikasjon for nye spororganiske analyser, som skulle være til nytte for vitenskapelige miljøer som studerer vent biogeokjemi. HyPOD-teamet har fullført analysen av en stor portefølje av hydrotermiske væsker fra havbunnen som er tatt prøve enten rett før eller under prosjektet fra forskjellige hydrotermiske systemer i Arktis, Midt-Atlanteren og Karibien. Vi har målt både karboksylsyrer så vel som metanol – en viktig livsopprinnelsesrelevant forbindelse – i våre organiske analyser av ekte varme kildevæsker, og resultatene våre er kritiske for vår forståelse av karbonkretsløp i vulkansk havskorpe. Vi har fullført over ti langsiktige (uker til måneder) eksperimenter for å avsløre høytemperaturskjebnen til mikrobiell dypbiosfærekarbon, marint oppløst organisk materiale og sedimentært karbon, i tillegg til eksperimenter på dannelsen av prebiotiske hydrotermiske organiske ingredienser for opprinnelsen av livet. Eksperimenter har allerede blitt utført på bakterier, arkea, arktiske og stillehavssedimenter, og dyphavsoppløst organisk materiale, som viser at disse materialene alle genererer et bredt mangfold av molekyler, og en "meny" som endres markant med temperaturen. Alle disse resultatene har blitt presentert på en internasjonal konferanse sent i 2022 og midten av 2023, og publikasjoner vil bli sendt inn i 2024-2025. Allerede publiserte resultater har indikert at tidsskalaer for sirkulasjon av hydrotermiske væsker er svært viktige for organiske molekylers stabilitet, og de første glimt av nøkkelvæsker som er tatt som en del av dette prosjektet og prosjektet HACON. I tillegg viser nyere publikasjoner i 2024 at mineraler ikke er nødvendige (eller sannsynligvis ikke effektive) for å katalysere dannelsen av metan og andre enkeltkarbonarter. Totalt har HyPOD-prosjektet resultert i minst 12 publiserte eller publiserbare (planlagte) arbeider i store Tier 1-tidsskrifter, hvorav 4 allerede er i publisering siden 2022. Resten er for tiden under forberedelse for innsending i hele 2024 og 2025.

From the original proposal, expected outcomes included the ability to assess the inventory of origin-of-life-relevant primordial organics in hot spring fluids, & the products & impacts of microbial, marine dissolved and sedimentary carbon pyrolysis, and how they yielding life-supporting organics & signatures of subsurface life. As outlined in the results report (Section 4), we are delivering on all these outcomes as the resulting scientific publications from the project are disseminated during 2024-2025. Our experiments show that many of the molecules considered to be essential for a hydrothermal origin of life (e.g. formic acid, methanethiol) can be produced from multiple deep sea sources, including abiotic synthesis and thermal alteration of all known preexisting organic matter forms (marine dissolved organic matter, sedimentary organic matter, vent microbial biomass). While this may confound the scientific community diligently trying to ascertain which molecules are strictly abiotic and which are derived from organic matter, it highlights the enormous potential for hydrothermal fluids to generate small, microbially metabolizable or primordial biochemistry relevant organics by multiple means, by simple application of heat to precursor carbon forms over several months. The insights from the experiments promise to help guide future sampling efforts for organics in hydrothermal fluids, as well as biotechnology prospecting, by providing a clear 'first assessment' of what types of organics can be generated from what (in terms of precursors/conditions). This will be the legacy of HyPOD to the scientific community, and is best summarized by a quote from a leading senior Professor in the field from the USA serving as PhD opponent for one of the HyPOD PhD fellows - "these pioneering results indicate that experiments of this type can be done and .. products can be followed as functions of time using the .. gold bag approach. By jump-starting this type of work, these results bode well for further investigations." HyPODs secondary objective was to improve analytical methods for quantifying low-molecular-weight nitrogen-, sulfur- and oxygen-bearing organics in natural hot spring fluids, & use this knowledge to further understand carbon cycling by hydrothermal microorganisms of much interest for biotechnology prospecting. In this endeavor, we have also had successful outcomes that will impact the future of the field. Our novel High-Pressure Ion Chromatography method for determining trace concentrations of oxygen-bearing organics (carboxylic acids) is being submitted to the reputable ASLO journal Limnology & Oceanography: Methods, home to all widely respected analytical methods in biogeochemistry. We expect our advancements in trace nitrogen- (amino acid) and sulfur-bearing (thiols) analyses to be published as novel methods included in the experimental studies. These methods are already contributing to bioprospecting efforts (e.g. NFR project DeepSeaQuence).

The global mid-ocean ridge is dotted with deep-sea hot springs fueling a 'deep biosphere' of ancient microorganisms, likely the first to emerge on Earth. The ocean is thus considered the 'cradle of life', yet the nexus of this thinking - the potential for dissolved organic molecules to spontaneously form in these hot spring fluids - is a process we do not fully understand. Emerging evidence of diverse organic molecules in hot, reducing fluids emanating from these aquifers suggests they form by multiple pathways, including non-biological CO2 reduction (generating abiotic molecules from which life can emerge), and thermal breakdown of crustal microbial carbon or dissolved organic matter (DOM) - perhaps signifying life's presence beneath the seafloor. Both abiotic synthesis of origin-of-life relevant molecules, and pyrolysis of pre-existing organic matter are poorly studied phenomena at conditions of deep-sea hot springs, leaving huge gaps in our understanding of carbon transformation in ocean crust fluids. Understanding hydrothermal production of the small organic molecules now detectable is critical for assessing energy sources for biotech-relevant microbes, and a potential hydrothermal origin of life on Earth and other ocean worlds in our Solar System (e.g. Enceladus). HyPOD will rigorously examine generation of diverse hydrocarbons, sulfur-, nitrogen- and oxygen-rich organic molecules from multiple carbon sources (CO2, microbial carbon, DOM, sedimentary kerogen) in hot springs, using state-of-the-art high temperature-pressure experiments and theoretical models to illuminate the diversity, differences & isotope signatures of organic products formed. Validating these findings through organic analyses from real hot spring fluids as part of HyPOD will transform our understanding of carbon cycling in volcanic ocean crust, revealing the high-temperature fate of microbial deep biosphere carbon, and the prebiotic hydrothermal organic ingredients for the origin of life.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

FRIPRO-Fri prosjektstøtte

Finansieringskilder