Ученые, изучающие раннюю историю нашей планеты, возраст которой составляет 4,5 миллиарда лет, активно обсуждают эволюцию серозависимых бактерий. Эти простые организмы возникли в то время, когда уровень кислорода в атмосфере был менее одной тысячной от нынешнего. Живя в водах океана, они вдыхали (или вдыхали) сульфат, соединение серы и кислорода, вместо свободных молекул кислорода.
Но как этот сульфат попал в океан и когда его стало достаточно, чтобы живые существа могли его использовать?Новое исследование докторанта геологии Мэрилендского университета Ядвиги Железинской предлагает удивительный ответ.
Железинская — первый исследователь, проанализировавший биохимические сигналы соединений серы, обнаруженных в карбонатных породах Бразилии возрастом 2,5 миллиарда лет. Скалы образовались на дне океана в геологическое время, известное как неоархейский эон. Они всплыли на поверхность, когда золотоискатели в Бразилии пробили дыру в коренных породах и вытащили керн древних пород длиной 590 футов.
В исследовании, опубликованном 7 ноября 2014 года в журнале Science, Железинская и три соавтора — физик Джон Клифф из Университета Западной Австралии и геологи Алан Кауфман и Джеймс Фаркуар из Университета Мэриленд — показывают, что бактерии, зависимые от сульфатов, были многочисленны в организме человека. некоторые части неоархейского океана, хотя морская вода обычно содержала примерно в 1000 раз меньше сульфатов, чем сегодня.«Образцы, измеренные Иадвигой, несут очень сильный сигнал о том, что соединения серы потреблялись и изменялись живыми организмами, что было удивительно», — говорит Фаркуар. «Она также использовала базовые геохимические модели, чтобы дать представление о том, сколько сульфатов было в океанах, и обнаружила, что концентрации сульфатов очень низкие, намного ниже, чем считалось ранее».
Геологи изучают серу, потому что ее много и она легко соединяется с другими элементами, образуя соединения, достаточно стабильные, чтобы их можно было сохранить в геологической летописи. Сера имеет четыре природных стабильных изотопа — атомные сигнатуры, оставленные в летописи горных пород, которые ученые могут использовать для определения различных форм элементов. Исследователи, измеряющие соотношение изотопов серы в образце породы, могут узнать, поступила ли сера из атмосферы, пород выветривания или биологических процессов. Из этой информации об источниках серы они могут вывести важную информацию о состоянии атмосферы, океанов, континентов и биосферы, когда эти породы сформировались.
Фаркуар и другие исследователи использовали соотношение изотопов серы в неоархейских породах, чтобы показать, что вскоре после этого периода атмосфера Земли изменилась. Уровень кислорода вырос с нескольких частей на миллион до почти своего нынешнего уровня, что составляет около 21 процента всех газов в атмосфере.
Бразильские породы, отобранные на Железинской, показывают только следовые количества кислорода — признак того, что они образовались до этого атмосферного изменения.Неоархейская Земля с очень низким содержанием кислорода была неприемлемым местом для большинства современных форм жизни. Континенты, вероятно, были намного суше и на них преобладали вулканы, выделяющие двуокись серы, двуокись углерода, метан и другие парниковые газы. Температура, вероятно, колебалась от 0 до 100 градусов по Цельсию (от 32 до 212 градусов по Фаренгейту), достаточно теплая для образования жидких океанов и размножения микробов в них.
Камни возрастом 2,5 миллиарда лет и старше встречаются крайне редко, поэтому понимание геологами неоархея основано на небольшом количестве образцов из нескольких небольших областей, таких как Западная Австралия, Южная Африка и Бразилия. Геологи предполагают, что Западная Австралия и Южная Африка когда-то были частью древнего суперконтинента под названием Ваальбара. По словам Железинской, образцы бразильских горных пород сопоставимы по возрасту, но могут быть не с одного и того же суперконтинента.Большинство изученных неоархейских пород происходят из Западной Австралии и Южной Африки и представляют собой черный сланец, который образуется при осаждении мелкой пыли на морском дне.
Ядро бразильского изыскателя содержит множество черных сланцев и полосу карбонатных пород, образовавшихся под поверхностью мелководных морей, в обстановке, которая, вероятно, напоминала сегодняшние Багамские острова. Черный сланец обычно содержит серосодержащий пирит, но карбонатные породы обычно не содержат, поэтому геологи до сих пор не уделяли внимания сигналам серы в карбонатных породах неоархея.По словам Кауфман, Железинская «предпочла взглянуть на камень, которого обычно избегают другие, и то, что она увидела, было совершенно другим». «Это действительно открыло нам глаза на значение этого исследования».
Изотопные отношения карбонатных пород Бразилии показали, что они образовались на древнем морском дне, содержащем сульфаты из атмосферных источников, а не на континентальных породах. И изотопные отношения также показали, что неоархейские бактерии были в изобилии в отложениях, дышали сульфатом и выделяли сероводород — тот же процесс, который происходит сегодня, когда бактерии перерабатывают разлагающееся органическое вещество в минералы и газы.Как могли серозависимые бактерии процветать в геологическое время, когда уровень серы был таким низким? «Похоже, они находились на мелководье, где испарение могло быть достаточно высоким, чтобы сконцентрировать сульфат, и это сделало бы его достаточно большим, чтобы поддерживать бактерии», — говорит Железинская.
Сейчас Железинская анализирует карбонатные породы того же возраста из Западной Австралии и Южной Африки, чтобы увидеть, верна ли картина для пород, образованных в других мелководных средах. Если это произойдет, результаты могут изменить представление ученых об одном из самых ранних биологических процессов на Земле.
«Продолжаются споры о том, когда возникли сульфатредуцирующие бактерии и как это вписывается в эволюцию жизни на нашей планете», — говорит Фаркуар. «Эти камни говорят нам, что бактерии существовали 2,5 миллиарда лет назад, и они делали что-то настолько важное, что мы можем их увидеть сегодня».