Это результат исследования, опубликованного на этой неделе в Трудах Национальной академии наук (PNAS). Результаты имеют значение для таких разнообразных областей, как добыча полезных ископаемых и поиск жизни в космосе.Кларк Джонсон, профессор геолого-геофизических наук из Университета Висконсин-Мэдисон, и бывший научный сотрудник Вэйцян Ли исследовали образцы из полосчатого железного пласта в Западной Австралии. Полосчатое железо — это богатая железом порода, обнаруженная в рудных месторождениях по всему миру, от предполагаемого железного рудника в Северном Висконсине до огромных рудников Западной Австралии.
Эти древние отложения глубиной до 150 метров требовали объяснений, — говорит Джонсон.Ученые полагали, что железо попало в океан из горячей, богатой минералами воды, выпущенной из отверстий в середине океана, которая затем осаждалась на дно океана. Джонсон и Ли, которые в настоящее время работают в Нанкинском университете в Китае, показывают, что половина железа, содержащегося в полосчатом железе, метаболизировалась древними бактериями, живущими вдоль континентальных шельфов.Считалось, что полосатость представляет собой своего рода сезонные изменения.
Исследователи из UW-Madison обнаружили долговременные колебания в составе, но не вариации на более короткие периоды, такие как десятилетия или столетия.
Исследование началось с точных измерений изотопов железа и неодима с помощью одного из самых быстрых лазеров в мире, размещенного в геолого-геофизическом отделении UW-Madison. (Изотопы, формы атома, которые различаются только по весу, часто используются для «отпечатка пальца» источника различных образцов.)Вспышки света длиной менее одной триллионной секунды испаряют тонкие срезы образца без нагревания самого образца. «Это как взять шарик мороженого и быстро вытащить материал, прежде чем он нагреется», — объясняет Джонсон.
«Нагревание традиционными лазерами дало ложные результаты».По словам Ли, на то, чтобы усовершенствовать работу лазера и связанных с ним масс-спектрометрических приборов, потребовалось три года.Предыдущие исследования источника полосатого железа были сосредоточены на изотопах железа. «Были споры о том, что изотопы железа говорят нам об источнике», — говорит Ли. «Добавление неодима изменило эту картину и дало нам независимую оценку количества, поступающего из неглубоких континентальных вод, несущих изотопную сигнатуру жизни».
Идея о том, что организм может усваивать железо, сегодня может показаться странной, но 2,5 миллиарда лет назад Земля была совсем другой. При небольшом количестве кислорода в атмосфере многие организмы получали энергию, метаболизируя железо вместо кислорода.
Биологи говорят, что этот процесс «действительно глубоко укоренился в древе жизни, но до сих пор у нас было мало свидетельств из летописи горных пород», — говорит Джонсон. «Эти древние микробы дышали железом так же, как мы дышим кислородом. Я признаю, что трудно осознать это».По словам Джонсона, текущее исследование важно по нескольким причинам. «Если вы геолог-разведчик, вы хотите знать источник полезных ископаемых, чтобы знать, где их исследовать».
Исследование также проясняет эволюцию нашей планеты — и самой жизни — в «богатую железом» эпоху 2,5 миллиарда лет назад. «Какие остатки богатого железом мира остаются в нашем метаболизме?» — спрашивает Джонсон. «Не случайно железо является важной частью жизни, что ранние биологические молекулы, возможно, были основаны на железе».НАСА сделало поиск жизни в космосе основным направлением деятельности и спонсирует Институт астробиологии UW-Madison, которым руководит Джонсон. Распознавание незнакомых форм жизни — приоритетная задача космического агентства.
Исследование подчеркивает важность микробов в геологии. «Это огромное изменение», — говорит Джонсон. «В моем вводном учебнике геохимии от 1980 года нет упоминания о биологии, и поэтому каждая диаграмма, показывающая, какие минералы стабильны в каких условиях на поверхности Земли, абсолютно неверна».Такие результаты исследований влияют на то, как проводятся занятия, говорит Джонсон. «Если бы я преподавал только одно и то же, я бы преподавал совершенно неправильные вещи. Если вы когда-нибудь задумывались, почему мы объединяем обучение и исследования в этом университете, геомикробиология даст вам ответ.
Она полностью перевернула науку о Земле».