» » Свойство бактериальных матов накапливать калий поможет искать следы древней жизни

Свойство бактериальных матов накапливать калий поможет искать следы древней жизни


Свойство бактериальных матов накапливать калий поможет искать следы древней жизни

Свойство бактериальных матов накапливать калий поможет искать следы древней жизни

Рис. 1. Глинистые сланцы раннепротерозойской формации Франсвиль (возраст — 2,1 млрд лет), содержащие слоистые структуры, связанные с древними бактериальными матами. Фото с сайта ualberta.ca


Традиционные геохимические методы обнаружения следов жизни в древних породах основаны на анализе изотопов углерода, серы и азота. Однако доказать биогенное происхождение этих элементов в породах обычно бывает непросто. Ученые, работающие с раннепротерозойскими отложениями формации Франсвиль (Габон), содержащими структуры древних бактериальных матов, предложили новый метод, в котором в качестве маркера биогенного происхождения пород используется калий. Метод основан на том, что микробные биопленки улавливали калий из морской воды и способствовали его накоплению в глинистых минералах, которые были захоронены на дне древнего моря.

Раннепротерозойская формация черных сланцев Франсвиль (возраст 2,1 млрд лет) в юго-восточной части Габона давно привлекает внимание ученых находками остатков самых древних на Земле многоклеточных (франсвильская биота). Более десяти лет здесь ведет работы группа палеонтологов под руководством Абдерразака Эль Албани (Abderrazak El Albani) из Университета Пуатье во Франции. «Элементы» уже не раз писали об их интересных находках и о спорах, возникающих вокруг этих находок (см.: Прелюдия истинной многоклеточности или ранние эволюционные эксперименты? «Элементы», 12.03.2019; Многоклеточные организмы, возможно, появились свыше 2 млрд лет назад, «Элементы», 12.07.2010).

В этот раз Абдерразак Эль Албани и Жереми Обино из Университета Пуатье вместе со своими коллегами из Франции, США и Канады в статье, опубликованной в журнале Nature Communications, сообщают не о новых находках древних микроорганизмов, а о новом геохимическом методе обнаружения следов жизни в древних осадочных породах, использующем в качестве биогенного маркера высокие концентрации калия.

Породы формации Франсвиль содержат слоистые структуры, строение которых указывает на то, что они являются остатками древних бактериальных матов. Авторы назвали их MRS (mat-related structures — структуры, связанные с матами, рис. 1). Изучая эти структуры, ученые обнаружили, что высокое содержание калия приурочено именно к этим слоям древних биопленок и отсутствуют во вмещающих песчаниках и черных сланцах. Калий входит в состав минерала иллита, чешуйки которого широко представлены в слоях MRS (рис. 2). Иллит входит в группу гидрослюд, относящихся с точки зрения кристаллографии к слоистым (листовым) силикатам. Катионы, в том числе К+ легко входят в состав гидрослюд, образуя катионные связи между слоями их кристаллической решетки.


Свойство бактериальных матов накапливать калий поможет искать следы древней жизни

Рис. 2. Биогенные MRS-структуры в сланцах формации Франсвиль (фотографии сделаны с помощью сканирующего электронного микроскопа): а — волокнистые микробные ткани (одна из них показана желтой стрелкой) над кварцевыми зернами песчаника (серые зерна в нижней части снимка, на одно из которых указывает голубая стрелка); b — оксиды титана (темно-серая область в центральной части снимка), заполняющие пустоты (возможно, бывшие пузырьки кислорода) внутри микробного мата; с — пустота, заполненная оксидами титана, расположенная на конце конусообразного элемента (возможно, образовавшегося при выходе пузырька кислорода, его границы обозначены зелеными стрелками). Фиолетовыми стрелками показаны чешуйки гидрослюд. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications


Иллит возникает в процессе иллитизации — преобразования глинистых минералов группы смектита, присутствующих в первичном глинистом осадке на дне моря, под действием диагенетических процессов — цементации осадка и его обезвоживания. В процессе иллитизации при наличии в среде диагенеза катиона К+ он заполняет пустоты между гидратированными слоями смектита, так как ионный радиус К+ позволяет ему входить в структуру минерала.

Тот факт, что иллитизированные чешуйки смектита были приурочены только к слоям древних биопленок, а в окружающих породах смектит присутствовал в неизмененном виде, заставил ученых предположить, что К+, при наличии которого смектит переходит в иллит, являлся продуктом жизнедеятельности древних организмов.

Геохимический анализ показал более высокие отношения K2O/SiO2 для MRS (как для обогащенных пиритом, расположенных в толще черных сланцев, так и для непиритизированных, находящихся в основании толщи песчаников) по сравнению с вмещающими их породами (рис. 3).


Свойство бактериальных матов накапливать калий поможет искать следы древней жизни

Рис. 3. Отношения K2O/SiO2 в MRS и вмещающих породах: 1 — пиритизированные MRS; 2 — черные сланцы, вмещающие пиритизированные MRS; 3 — непиритизированные MRS; 4 — песчаники, в основании которых находятся непиритизированные MRS. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications


Сканирование образцов методом синхротронной рентгеновской флуоресцентной микроскопии (XFM) проводилось на синхротроне SOLEIL во Франции. В результате были получены карты распределения нескольких химических элементов (S, K, Ca, Ba, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge и As) в образцах микронного масштаба. Наиболее показательны результаты для серы (S) и калия (K), показанные на рис. 4.


Свойство бактериальных матов накапливать калий поможет искать следы древней жизни

Свойство бактериальных матов накапливать калий поможет искать следы древней жизни

Рис. 4. Карта интенсивности рентгеновской флуоресценции для серы (верхний ряд) и калия (нижний ряд): а — пиритизированные MRS; b — черные сланцы; с — непиритизированные MRS. Интенсивность рентгеновской флуоресценции (в количестве квантовых выходов за 10 мс) соответствует концентрации элемента в образце. На изображении а видно, что пирит, которому соответствуют высокие содержания серы, не концентрирует калий, повышенные содержания которого приурочены к пространству между зернами пирита. На изображении с видна четкая приуроченность повышенных содержаний калия к микрослоям MRS. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications


Приуроченность повышенных содержаний калия к микрослоям непиритизированных MRS (древним биопленкам) и межзерновому пространству между зернами пирита в пиритизированных MRS была подтверждена также с помощью методов рентгеноструктурного анализа и просвечивающей электронной микроскопии.

По мнению авторов, выявленные закономерности распределения калия на микроуровне указывают на то, что источником К+ для процесса иллитизации могли быть только микроорганизмы микробных матов. Никакой внешний абиотический источник не мог бы обеспечить обогащенность калием только тканей биопленок толщиной несколько мкм, в то время как вмещающие породы оставались свободными от калия. К тому же во вмещающих породах практически полностью отсутствует калиевый полевой шпат, который обычно рассматривают в качестве вероятного источника абиогенного калия.

Микроорганизмы при этом играли двоякую роль. Во-первых, они способствовали трансформации глинистых минералов в процессе диссимиляционного восстановления железа, а именно — биогенному высвобождению Fe (III) из решетки смектита и осаждению Fe (II) в поровых водах осадка. Данный процесс приводит к возникновению отрицательного заряда у листов кристаллической решетки смектита и поглощению К+ с его локализацией в межслойных пространствах, чтобы уравновесить общий структурный заряд (см. K. Konhauser, M. Urrutia, 1999. Bacterial clay authigenesis: a common biogeochemical process). Во-вторых, они являлись источником этого самого К+, так как калий — один из важнейших катионов микроорганизмов, который они накапливают из морской воды.

Микроструктурные признаки (волокнистость, наличие всплывающих пузырьков газа) свидетельствуют о том, что MRS — это, скорее всего, древние цианобактериальные маты. Различия между пиритизированными и непиритизированными MRS могут отражать различия в условиях среды — наличие или отсутствие сульфидных поровых вод. Это могло быть связано с разной скоростью осаждения или разными условиями глубины отложения и температуры, а также с меньшим количеством реакционноспособного железа в зонах формирования непиритизированных MRS.

Авторы подчеркивают, что выявленный ими механизм бактериально усиленной иллитизации не только является новым методом поисков следов древней жизни, но и может стать ключом к пониманию палеоклиматической картины докембрия. В то время, когда площадь материков до 2,5 млрд лет назад была незначительна, а бактериальные маты были весьма распространены, микроорганизмы могли играть существенную роль в удалении К+ как из морской воды, так и из продуктов континентального сноса. Конверсия смектита в иллит в целом происходит по схеме: смектит + K+ -> иллит + катионы (Na+, Ca2+, Mg2+, Fe2+) + Si(OH)4. Дальнейший процесс образования аутигенных глин, включающий реакцию Si(OH)4 + (K+, Mg2+, Fe2+, Al3+) + HCO3– -> глинистый минерал + CO2 + H2О, сродни современному процессу обратного выветривания (reverse weathering, выброс CO2 в результате поглощения гидрокарбоната в процессе формирования морских аутигенных глин), оказывающему влияние на глобальные циклы углерода и кремния.

Недавно было обнаружено, что обратное выветривание было важным фактором долгосрочной стабилизации pH морской воды и глобального климата в докембрии (T. Isson, N. Planavsky, 2018. Reverse weathering as a long-term stabilizer of marine pH and planetary climate). Таким образом биогенную иллитизацию можно рассматривать как ранее неизвестный фактор контроля pH морской воды и содержания CO2 в атмосфере, связанный с жизнедеятельностью микроорганизмов.

Источник: Jeremie Aubineau, Abderrazak El Albani, Andrey Bekker, Andrea Somogyi, Olabode M. Bankole, Roberto Macchiarelli, Alain Meunier, Armelle Riboulleau, Jean-Yves Reynaud, Kurt O. Konhauser. Microbially induced potassium enrichment in Paleoproterozoic shales and implications for reverse weathering on early Earth // Nature Communications. 2019. № 10. DOI: 10.1038/s41467-019-10620-3.

Владислав Стрекопытов


20 сентябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

«Подземный океан» в переходной зоне мантии образовался более 3,3 млрд лет назад

Огромные запасы воды, находящиеся в переходной зоне мантии Земли, образовывались еще в палеоархее (более 3,3 млрд лет назад) за счет погружения в мантию на глубину 410–660 км океанической коры,

Атмосферное давление на древней Земле было в два раза ниже современного

В архейских вулканических базальтовых породах возрастом 2,74 млрд лет сохранились следы газовых пузырьков, захваченных из окружающей среды жидкой лавой. Международная команда геофизиков, ориентируясь

В Китае найдены древнейшие многоклеточные водоросли

Китайские палеонтологи обнаружили в мезопротерозойских карбонатных сланцах возрастом 1,56 млрд лет отпечатки крупных многоклеточных организмов, похожих на современные водоросли. У некоторых

Карбонатные осадки океана могут окислять вещество земной мантии

Изучая гранаты, заключенные в алмазах из кимберлитовой трубки Яхерсфонтейн, ученые обнаружили, что степень окисления железа в гранатах возрастает по мере увеличения глубины образования минерала. Так

Даже самые большие сферические конкреции вырастают всего за несколько десятилетий

В морских отложениях встречаются сферические карбонатные конкреции — удивительные объекты округлой формы, достигающие порой гигантских размеров (более двух метров в диаметре). Общая схема образования

Графит в архейских железистых кварцитах вероятно имеет биогенное происхождение

Древнейшие из известных полосчатых железистых кварцитов — одни из самых древних осадочных пород на Земле. Основная гипотеза их происхождения — биогенная: обогащенные оксидом железа слои кварцитов
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Как выглядит заброшенный город будущегоКак алкоголь вредит печени?Достоинства ИБП марки Apc5 крупных палеонтологических открытий 2019 годаНайден способ восстановить зубную эмальВ Швейцарии изобрели похожего на насекомое роботаПредсказания Ванги на 2020 годКраски древнего мира: лазурит