นัยยะจากฟอสซิลโบราณรอบปล่องระบายความร้อนที่พื้นทะเลนอกโลก

 

หนึ่งในปล่องระบายความร้อนที่ก้นทะเล(hydrothermal vent) บนโลก ที่ยังมีกิจกรรม ปล่องลักษณะเดียวกันนี้อาจเป็นระบบนิเวศในการพัฒนาสิ่งมีชีวิตรุ่นแรกๆ บนโลก หรือกระทั่งบนดวงจันทร์น้ำแข็งที่มีมหาสมุทรใต้เปลือกน้ำแข็งในระบบสุริยะส่วนนอก

     หินที่รวบรวมได้จากแถบบาร์เบอร์ตันกรีนสโตน ในอาฟริกาใต้ ได้เผยให้เห็นหลักฐานของจุลชีพรอบๆ ปล่องระบายความร้อนที่พื้นทะเลเมื่อ 3.42 พันล้านปีก่อน การค้นพบนี้มีนัยสำคัญต่อทั้งคำถามว่าชีวิตเริ่มต้นปรากฏขึ้นบนโลกครั้งแรกเมื่อใด และโอกาสที่จะได้พบมันในที่อื่นในระบบสุริยะ

     หนึ่งในการโต้แย้งครั้งใหญ่ในทางชีววิทยาที่ยังไม่ยุติก็คือว่า ชีวิตก่อตัวขึ้นในแอ่งน้ำอุ่นขนาดเล็ก ตามที่ดาร์วินเสนอไว้(บางทีอาจจะด้วยความช่วยเหลือของอุกกาบาต) หรือบนพื้นทะเลรอบๆ ปล่องระบายความร้อนที่ก้นทะเล(hydrothermal vents) หลักฐานมีทั้งสองทาง และไม่มีการค้นพบใดที่น่าจะยุติคำถามนี้ได้ อย่างไรก็ตาม รายงานฉบับหนึ่งใน Science Advances ได้เพิ่มน้ำหนักไปทางปล่อง โดยอย่างน้อยก็บอกถึงการดำรงอยู่ของชีวิตใกล้ๆ เมื่อนานมากมาแล้วว

Barberton Greenstone Belt ในอาฟริกาใต้ใกล้ชายแดนประเทศโมซัมบิกกับราชอาณาจักรเอสวาตินี เป็นพื้นที่ที่พบหินอัคนีชนิดพิเศษอายุเก่าแก่ระดับ 3 พันล้านปีก่อน

     ปัญหาหนึ่งกับการศึกษาความเป็นมาของชีวิตรอบๆ ปล่องระบายความร้อนใต้ทะเลก็คือเราไม่ค่อยมีบันทึก เปลือกมหาสมุทรเบื้องลึกนั้นถูกรีไซเคิลเข้าสู่โลกในทุกๆ ไม่กี่ร้อยล้านปีเท่านั้น ดังนั้นในขณะที่เราทราบว่ามีชีวิตอยู่ดาษดื่นที่นั้นในตอนนี้ แต่ความเป็นมาของมันก็ถูกซ่อนไว้เกือบทั้งหมด นี่ทำให้การค้นพบโดยศาสตราจารย์ Barbara Cavalazzi จากมหาวิทยาลัยโบโลญญา จึงสำคัญอย่างมาก เราได้พบหลักฐานจุลชีพที่กลายเป็นฟอสซิลในสภาพดี ซึ่งดูเหมือนจะอยู่กันอย่างคับคั่งตามแนวกำแพงของช่องว่าง ที่เกิดขึ้นจากน้ำอุ่นจากระบบระบายความร้อนใต้พื้นทะเลลงไปไม่กี่เมตรเท่านั้น เธอกล่าวในแถลงการณ์ สถานที่อาศัยใต้พื้นผิว, ได้รับความร้อนจากกิจกรรมภูเขาไฟ น่าจะเป็นที่อยู่ของระบบนิเวศจุลชีพรุ่นแรกสุดบนโลกบางส่วน และนี่ก็เป็นหลักฐานที่เก่าแก่ที่สุดที่เราได้พบจนถึงบัดนี้

     แม้ว่าสภาวะรอบๆ ปล่องนอกเหนือจากแรงดัน ที่เหลือก็น่าจะคล้ายกับที่พบในปล่องใต้มหาสมุทรลึก ความตื้นของมันยังหมายความว่ามันอยู่บนไหล่ทวีป(continental shelf) ซึ่งช่วยให้เกิดการเก็บรักษาสภาพไว้ เส้นใยจิ๋วที่กลายเป็นฟอสซิลไม่เพียงแต่พบว่ามีรูปร่างที่บ่งชี้ว่ากำเนิดจากสิ่งมีชีวิต แต่ยังถูกเก็บรักษาอย่างดีมากจนทีมสามารถจำแนกผนังเซลที่อุดมไปด้วยคาร์บอน และแกนกลางที่ชัดเจนได้ ความเข้มข้นนิกเกิลสูงที่พบภายในฟอสซิลบ่งชี้ว่าพวกมันเป็นอาร์เคียโปรคาริโอต(archaea prokaryotes) เป็นรูปแบบสิ่งมีชีวิตที่อยู่รอดจนถึงปัจจุบันในสภาพแวดล้อมที่ไร้ออกซิเจน เปลี่ยนมีเธนให้เป็นแหล่งพลังงานขับเคลื่อนเมตาบอลิซึม

     พื้นที่รอบๆ ปล่องก็น่าจะช่วยให้พลังงานแก่รูปแบบสิ่งมีชีวิตในรูปของความร้อน และมีสารอาหารที่อุดมสมบูรณ์ น้ำทะเลที่เย็นยังน่าจะสร้างการไล่ระดับการพึงพอใจในการอยู่อาศัยของจุลชีพ แม้ว่าเราจะทราบว่าอาร์เคียโปรคาลิโอตกลายเป็นฟอสซิลได้ แต่เราก็มีตัวอย่างโดยตรงที่จำกัดอย่างยิ่ง การค้นพบของเราจึงน่าจะขยายบันทึกฟอสซิลอาร์เคียได้เป็นครั้งแรก สู่ช่วงเวลาเมื่อชีวิตเริ่มอุบัติขึ้นบนโลก Cavalazzi กล่าว

รอยยาวบางสีดำที่เห็นคล้ายรอยแตก แต่องค์ประกอบเคมีเผยให้เห็นว่าพวกมันเป็นฟอสซิลที่เก่าแก่ที่สุดเท่าที่เคยพบรอบๆ สิ่งที่เคยเป็นปล่องระบายความร้อนที่ก้นทะเล

     ฟอสซิลมีความเก่าแก่มาก แต่เราก็ทราบว่าชีวิตบนโลกยังเก่าแก่กว่านั้น นาฬิกาโมเลกุลย้อนเวลากลับไปได้ถึงอย่างน้อย 4 พันล้านปี และฟอสซิลที่เก่าแก่ที่สุด(แม้ว่าจะเป็นที่โต้แย้ง) ก็มีอายุ 3.7 พันล้านปี แอ่งของดาร์วินก็อาจจะยังถูกต้องอยู่โดยต่อมาชีวิตได้ขยายไปถึงปล่องใต้ทะเล อย่างไรก็ตาม ความจริงที่ว่าตำแหน่งเหล่านี้มีผู้จับจองเมื่อนานมาแล้ว ก็ไม่ได้ทำอันตรายให้กับแนวคิดที่ว่าแอ่งเป็นสถานที่เกิดของชีวิต

     ในขณะเดียวกัน Cavalazzi ก็บอกว่าเมื่อเราเองก็พบสภาพแวดล้อมคล้ายๆ กันนี้บนดาวอังคาร การศึกษาก็ยังมีนัยสำคัญต่อดาราศาสตร์ชีววิทยาและโอกาสที่จะพบชีวิตนอกโลก การค้นพบนี้อาจจะแม้แต่มีความสำคัญกับความคาดหวังชีวิตบนดวงจันทร์ยูโรปา(Europa) และเอนเซลาดัส(Enceladus) ด้วย แม้ว่าจะไม่มีดวงใดเลยที่มีแอ่งน้ำอุ่นเล็กๆ แต่ทั้งสองดวงก็มีสภาพแวดล้อมที่ค่อนข้างคล้ายกับปล่องระบายความร้อนใต้พื้นทะเล

     เคยมีการพบฟอสซิลภายในแถบบาร์เบอร์ตัน(Barberton belt) มาก่อน แต่ก็สร้างความขัดแย้งเกี่ยวกับสภาวะที่พวกมันอยู่อาศัยกัน หินที่ทีมได้พบเส้นใยเหล่านั้นก่อตัวขึ้นในอุณหภูมิที่ดิ่งชันและมีการเกลี่ยค่าความเป็นกรด-ด่าง(pH-gradient) ซึ่งพบได้เฉพาะรอบๆ ปล่องระบายความร้อนใต้พื้นทะเลเท่านั้น

หินที่พบซากฟอสซิลโบราณ

     โดยบังเอิญที่มีการศึกษาใหม่ได้รายงานว่า มีเธนที่พบในปริมาณสูงมากจากดวงจันทร์เอนเซลาดัสของดาวเสาร์ อาจเป็นสัญญาณว่ามีสิ่งมีชีวิตอาศัยอยู่ในทะเลใต้พื้นผิวของดวงจันทร์น้ำแข็งดวงนี้

     ในปี 2005 ยานคาสสินี(Cassini) ของนาซาได้พบน้ำพุ(geysers) ที่ยิงอนุภาคน้ำแข็งออกสู่อวกาศจากพื้นที่ส่วนที่เรียกว่า ลายพาดกลอน(tiger stripes) ซึ่งเป็นรอยแตกใกล้ขั้วใต้ของดวงจันทร์เอนเซลาดัส วัสดุสารในพุเหล่านั้นกลายเป็นวัสดุสารให้กับวงแหวนอี(E ring) ซึ่งเป็นวงแหวนนอกที่สุดอันดับสองของดาวเสาร์ คิดกันว่าวัสดุสารนั้นมาจากมหาสมุทรน้ำของเหลวขนาดมหึมาที่กระฉอกอยู่ใต้เปลือกน้ำแข็งของดวงจันทร์

      และก็ยังมีอย่างอื่นนอกจากน้ำแข็งในพวยพุด้วย ในระหว่างการบินผ่านเอนเซลาดัสที่มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 504 กิโลเมตรนับครั้งไม่ถ้วนของยานคาสสินี มันได้พบสารประกอบอื่นๆ อีกด้วย ตัวอย่างเช่น ไดไฮโดรเจน(H2) และสารประกอบอินทรีย์อีกมากมายซึ่งรวมถึงมีเธน(CH4) ซึ่งนักดาราศาสตร์ชีววิทยาให้ความสนใจสารประกอบทั้งสองเป็นพิเศษ H2 น่าจะถูกสร้างขึ้นโดยปฏิสัมพันธ์ของหินกับน้ำร้อนที่พื้นทะเลของเอนเซลาดัส ซึ่งบอกว่าดวงจันทร์มีปล่องระบายความร้อนที่พื้นทะเล เป็นสภาพแวดล้อมแบบเดียวกันที่อาจจะให้กำเนิดชีวิตบนโลก

ภาพพื้นผิวน้ำแข็งใกล้ขั้วใต้ของดวงจันทร์เอนเซลาดัสโดยยานคาสสินี จะเห็นรอยแตกขนาน(สีฟ้า) ทางซ้ายของภาพ คือ ลายพาดกลอน(tiger stripes) ที่ยานได้พบพุน้ำแข็ง

     นอกจากนี้ H2 ยังเป็นแหล่งพลังงานให้กับจุลชีพบางชนิดบนโลก ซึ่งผลิตมีเธนจากคาร์บอนไดออกไซด์ในกระบวนการที่เรียกว่า การผลิตมีเธน(methanogenesis) บางสิ่งที่คล้ายกันนี้ก็อาจจะกำลังเกิดขึ้นบนเอนเซลาดัสด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาว่าคาสสินีได้พบคาร์บอนไดออกไซด์ และยังมีมีเธนอีกจำนวนมากในพวยพุของดวงจันทร์ Regis Ferriere ผู้เขียนร่วมการศึกษา รองศาสตราจารย์ที่แผนกนิเวศวิทยาและชีววิทยาวิวัฒนาการ มหาวิทยาลัยอริโซนา กล่าวในแถลงการณ์ว่า เราอยากจะทราบว่า จุลชีพแบบที่คล้ายกับที่พบบนโลกซึ่ง “กิน” ไดไฮโดรเจนและสร้างมีเธนจากคาร์บอนไดออกไซด์(เรียกว่า methanogens) สามารถใช้อธิบายมีเธนปริมาณมากจนน่าแปลกใจที่คาสสินีได้พบ ได้หรือไม่ บนโลก ปล่องเหล่านี้มีระบบนิเวศที่น่าสนใจเป็นอย่างยิ่ง ชีวิตที่อาศัยที่นั้นจะพึ่งพาห่วงโซ่อาหารที่มีพื้นฐานจากปฏิกิริยาเคมีที่เรียกว่า การสังเคราะห์ทางเคมี(chemosynthesis) แทนที่จะเป็นการสังเคราะห์แสง(photosynthesis) ซึ่งพึ่งพาดวงอาทิตย์

     ดังนั้น Ferriere และเพื่อนร่วมงานจึงสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อประเมินความเป็นไปได้ที่มีเธนบนเอนเซลาดัสจะถูกสร้างขึ้นโดยกระบวนการชีววิทยา แบบจำลองเสมือนจริงเหล่านี้มีความหลากหลาย พวกเขาพิจารณาว่าองค์ประกอบในพวยพุของเอนเซลาดัสเป็นผลผลิตสุดท้ายของกระบวนการทางเคมีและกายภาพมากมายที่เกิดขึ้นในภายในดวงจันทร์ เริ่มแรก นักวิจัยประเมินว่าการสร้างไดไฮโดรเจนจากปล่องระบายความร้อนจะเป็นอย่างไรถ้าจะให้สอดคล้องกับการสำรวจจากคาสสินีมากที่สุด, การสร้างไดไฮโดรเจนจะเป็น”อาหาร” ที่สามารถค้ำจุนประชากรจุลชีพผู้ผลิตมีเธนคล้ายกับที่พบบนโลก ของเอนเซลาดัสได้หรือไม่ และประชากรเหล่านั้นน่าจะส่งผลต่ออัตราที่ไดไฮโดรเจนและมีเธนหนีออกสู่พวยพุอย่างไรบ้าง เป็นต้น

     โดยสรุปแล้ว ไม่เพียงแต่เราสามารถตอบได้ว่าการสำรวจของคาสสินีนั้นบอกถึงสภาพแวดล้อมที่เอื้ออาศัยต่อชีวิต แต่เรายังสามารถทำนายในเชิงปริมาณที่คาดว่าจะสำรวจพบ ถ้ามีการสร้างมีเธนเกิดขึ้นจริงๆ ที่พื้นทะเลของเอนเซลาดัส Ferriere กล่าว การประเมินน่าจะทำให้เราที่หวังว่าจะมีตัวอะไรสักอย่างแหวกว่ายในทะเลที่เย็นเยือกและมืดมิดของเอนเซลาดัส ได้ดีใจ

ภาพจากศิลปินแสดงโครงสร้างมหาสมุทรใต้เปลือกน้ำแข็ง และปล่องระบายความร้อนที่ก้นมหาสมุทรบนดวงจันทร์เอนเซลาดัส การตรวจสอบองค์ประกอบเคมีในพวยพุที่พ่นออกมาโดยยานคาสสินีได้พบสารประกอบหลายชนิดรวมทั้งสารอินทรีย์ด้วย

     ทีมยังตรวจสอบว่ากระบวนการอชีวภาพ(abiotic) จากเคมีของปล่องระบายความร้อนที่เรารู้จักบนโลกไม่สามารถอธิบายความเข้มข้นของมีเธนที่คาสสินีสำรวจพบได้ ยิ่งเน้นว่ามีเธนที่มาจากจุลชีพที่ผลิตมีเธน เติมช่องโหว่ได้อย่างดีเยี่ยมพูดให้ชัดก็คือ การสำรวจใหม่ซึ่งเผยแพร่ในวารสาร Nature Astronomy เมื่อเดือนมิถุนายน ไม่ได้อ้างว่าจะมีสิ่งมีชีวิตอยู่ที่เอนเซลาดัส ยกตัวอย่างเช่น ก็เป็นไปได้ที่ดวงจันทร์น้ำแข็งนี้จะต้องปฏิกิริยาที่ผลิตมีเธน อชีวภาพบางอย่างที่ไม่ปรากฏบนโลก บางทีอาจเป็นการสลายตัวของสสารอินทรีย์ดั่งเดิมที่เหลืออยู่ตั้งแต่เมื่อดวงจันทร์ถือกำเนิด และบางส่วนอาจถูกเปลี่ยนเป็นไดไฮโดรเจน, มีเธน และคาร์บอนไดออกไซด์ผ่านกระบวนการระบายความร้อนใต้น้ำ แท้ที่จริงแล้ว สมมุติฐานหลังนี้ก็สอดคล้องดีถ้าเอนเซลาดัสก่อตัวขึ้นจากวัสดุสารที่อุดมด้วยสารอินทรีย์ ซึ่งดาวหางนำส่งมาอย่างที่นักวิทยาศาสตร์บางคนเชื่อกัน

     มันได้ทำลายความเป็นไปได้ที่จะเราเชื่อในสมมุติฐานที่แตกต่างไป Ferriere กล่าว ยกตัวอย่างเช่น ถ้าเรามองหาความเป็นไปได้ของชีวิตบนเอนเซลาดัสว่ามีต่ำมากๆ จากนั้นกลไกอชีวภาพก็น่าจะเป็นไปได้มากขึ้น แม้ว่าพวกมันจะเป็นเอเลี่ยนมากๆ เมื่อเทียบกับสิ่งที่เรารู้จักบนโลก การสร้างมีเธนในทางชีวภาพดูจะสมเหตุสมผลกับข้อมูล Ferriere กล่าวเสริม พูดอีกทางก็คือ เราไม่สามารถกำจัดสมมุติฐานชีวิตออกไปได้เลย ถ้าจะปฏิเสธสมมุติฐานนี้ เราจำเป็นต้องมีข้อมูลเพิ่มเติมจากปฏิบัติการในอนาคต

     ผู้เขียนหวังว่ารายงานของพวกเขาจะช่วงนำทางการศึกษาที่ตั้งเป้าเพื่อให้เข้าใจการสำรวจที่คาสสินีได้ทำ ได้ดีขึ้น และจะกระตุ้นให้มีการวิจัยเพื่อประเมินกระบวนการอชีวภาพที่อาจจะสร้างมีเธนได้มากพอเพื่ออธิบายข้อมูลนี้ ยกตัวอย่างเช่น มีเธนอาจจะมาจากการแตกสลายทางเคมีของสสารอินทรีย์ดั่งเดิมที่ปรากฏอยู่ในแกนกลางของดวงจันทร์ ความก้าวหน้าที่จะได้จากรายงานนี้ขึ้นอยู่กับระเบียบวิธี(วิจัย) และไม่ได้จำกัดแค่กับระบบที่จำเพาะอย่างมหาสมุทรภายในดวงจันทร์น้ำแข็ง และเปิดหนทางไปสู่ข้อมูลทางเคมีจากดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ ซึ่งน่าจะมีได้ในทศวรรษที่จะมาถึง ขณะนี้ยังไม่ได้ปฏิบัติการที่อุทิศให้กับการสำรวจเอนเซลาดัส แต่ก็ยังมีวัตถุน้ำแข็งอื่นๆ ในระบบสุริยะที่จะมีปฏิบัติการไปเยี่ยมเยือนซึ่งน่าจะให้ข้อมูลเกี่ยวกับความสามารถในการเอื้ออาศัยได้ของดวงจันทร์น้ำแข็งได้เพิ่มขึ้น 

ภาพจากศิลปินแสดงยานคาสสินีบินผ่านพวยพุที่ปะทุออกมาตามรอยแตกบนพื้นผิวแห่งหนึ่งใต้ขั้วใต้ของเอนเซลาดัส

 

แหล่งข่าว iflscience.com : oldest evidence of life around hydrothermal vents has implications for other worlds
               space.com - methane in plume of Saturn’s moon Enceladus could be sign of alien life, study suggests     
                phys.org - methane in the plumes of Saturn’s moon Enceladus: possible signs of life?
                 sciencealert.com – methane detected on Enceladus could actually be a sign of life, study shows