Genskabelse af gamle mineraler

Når det kommer til at gøre et varigt indtryk i geologisk historie, mediet gør hele forskellen, især i Jordens palæo-oceaner. Her, under den arkæiske eon (4, 000-2, 500 millioner år siden) og til tider under Proterozoikum (2, 500-541 millioner år siden), da ilt i atmosfæren og oceanerne var meget lavere end i dag, sedimentære mineraler bevarede signaturer af biologisk aktivitet i form af fine teksturer skabt af mikrobielle samfund. De miljømæssige forhold, hvorunder bjergarter som disse dannes, dikterer, hvordan krystalstrukturen udvikler sig - jo mere velordnet og finkornet, jo bedre bevarelse.

Forståelse, og endnu bedre, at replikere, hvordan disse gamle mineraler voksede, giver information om Jordens tidligere miljøer, og hvordan organismer udviklede sig og opførte sig. En af disse fossilbærende sten har vist sig svær at kopiere i laboratoriet - indtil nu.

Forskere fra MIT og Princeton University har fundet en måde at efterligne en del af oldtidens Jord i laboratoriet ved at reproducere en af ​​disse vejrbestandige, informationsbærende mineraler, dolomit, hvis dannelse længe har forvirret videnskabsmænd. En nær slægtning til, og som kan skabes af, mineraler, der laver kalksten, dolomit var udbredt i fortiden; imidlertid, forskere finder det sjældent i moderne miljøer. Mens det er lavet af komponenter, der almindeligvis findes i havvand, der er fysiske og kinetiske barrierer, der forhindrer dannelsen af ​​dolomit-lag af carbonat (CO3-2) ioner med alternerende centrale atomer af calcium og magnesium. Alternativt undersøgelser har rapporteret protodolomit - en sten med en uordnet krystallinsk struktur, forekommer kun i meget salte moderne miljøer - men dette mineral bevarer ikke de samme fine mikrobielle teksturer som dets mere ordnede bror.

"At lede efter beviser for gammelt liv og gamle processer, du skal se på mikrobielle strukturer. Det er der informationen er. Nogle af den information er bevaret i form af meget finkornet dolomit, som udfældes næsten i takt med at mikroberne vokser. Det bevarer laminatet af disse mikrobielle måtter, " siger Tanja Bosak, lektor i MIT Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber (EAPS), hvis laboratorium ledede forskningen. Hendes gruppe bruger eksperimentel geobiologi til at udforske moderne biogeokemiske og sedimentologiske processer i mikrobielle systemer og fortolke registreringen af ​​livet på den tidlige Jord. Imidlertid, "der er et stort problem med oprindelsen af ​​finkornet dolomit i mange mikrobielle strukturer gennem tiden:Der var ingen klar måde at fremstille dolomit på under jordens overfladeforhold."

Deres resultater offentliggjort i tidsskriftet Geologi rapporter den første skabelse af ordnet dolomit og find ud af, at tricket til at fange disse teksturer kan være en opslæmning af manganioner, havvand, lys, og en biofilm af anaerob, svovl-metaboliserende, fotosyntetiske mikrober i et iltfrit miljø.

Studiets medforfattere er tidligere EAPS postdoc Mirna Daye og lektor John Higgins fra Princeton University.

Dolomitproblem og vigtigheden af ​​orden

Siden den første identifikation af dolomit i det 18. århundrede i det, der nu er kendt som Dolomitbjergene i Norditalien, videnskabsmænd er blevet forbløffet over, hvordan dolomit dannes, og hvorfor der er så meget gammel dolomit og så lidt af mineralet i moderne tid. Dette nummer blev kaldt "dolomitproblemet."

Forskere har fundet ud af, at moderne dolomit kan dannes på to hovedmåder. Det udfælder, når det er lavvandet, hypersaltholdigt havvand opvarmes, og når kalksten støder på magnesiumrigt vand, som et dybt rev, der er invaderet af havvandsopløsninger. Imidlertid, begge metoder laver store krystaller, der skjuler meget af den biologiske information. I moderne havvand, imidlertid, aragonit og calcit (forskellige krystallinske strukturer af calciumcarbonat) er mere tilbøjelige til at udfælde end dolomit. "Det er ikke svært at lave dolomit, hvis du opvarmer et bæger med havvand til meget høje temperaturer, men du vil aldrig få det ved jordens overfladetemperatur og tryk alene, " siger Bosak. "Det er virkelig svært at få magnesium ind i mineralerne; den ønsker ikke rigtig at gå ind i krystalgitteret." Det er en del af det større billede. Derudover, disse mekanismer tager ikke højde for mineralvariationer (mangan eller jernrig dolomit) set under de arkæiske og proterozoiske perioder, der bevarede disse teksturer. "Du ser, at havvand er mættet med hensyn til dolomit, [men] det dannes bare ikke, så der er en kinetisk barriere for det."

Det var først i begyndelsen af ​​det 20. århundrede, at en russisk mikrobiolog påviste potentialet for anaerobe bakterier til at få dolomit til at dannes fra mineraler i havvandet, en proces kaldet biomineralisering. Siden da, forskere har fundet ud af, at i moderne miljøer, biofilm - indeholdende fotosyntetiske mikrober og den slimede organiske matrix, som de udskiller til deres hjem (exopolymere stoffer) - i stærkt fordampende bassiner af saltvand kan give en overflade, hvorpå dolomit kan danne kerne og vokse. Imidlertid, disse biofilm er ikke fotosyntetiske. I modsætning, mange mikrobielle strukturer, der blev bevaret før iltstigningen, voksede i mindre salte marine miljøer og menes at være blevet produceret af fotosyntetiske mikrobielle samfund. Derudover placeringen af ​​ioner og mikrober, der menes at være involveret i denne proces, har sandsynligvis været forskellig i fortiden. Fortidens mikrober var afhængige af sulfid, brint, eller jernioner til fotosyntese. Forskere formoder, at for mere end 2 milliarder år siden, mangan- og jernioner var til stede højere i havets sedimenter eller endda vandsøjlen. I dag, på grund af den iltede atmosfære, de er begravet dybere i sedimenter, hvor anaerobe forhold kan forekomme. Imidlertid, manglen på sollys betyder, at mikrobielle måtter ikke vokser her, så heller ikke dolomit.

Mens forslaget om mikrobiel involvering var et stærkt skridt til at løse dolomitproblemet, spørgsmålene om krystalordning og dannelse i den solbeskinnede marine zone, hvor mikrober koloniserer sedimenter, stadig var uafklarede.

Gengivelse af fortiden

Mens man undersøger tidlig sedimentologisk konservering, gruppen udførte en række eksperimenter, der replikerede forholdene i disse gamle oceaner med en anaerob atmosfære. De brugte en kombination af moderne biofilm, lyse/mørke omgivelser, og havvand modificeret til at efterligne tidlige jordforhold med og uden mangan, et af de metaller, der ofte findes i mineralet og menes at lette bakterievæksten. Forskerne brugte mikrober fra en sø i upstate New York, fra dybder, der mangler ilt.

I deres eksperimenter, forskerne bemærkede noget uventet - at det mest udbredte mineral i biofilmene var højordnet dolomit, og de hætteglas, der producerede de mest indeholdte fotosyntesemikrober og mangan - et resultat i overensstemmelse med feltrapporter. Mens måtterne voksede op mod lyset, krystaller akkumuleret på dem, med de ældste på bunden, der fanger små vrikker, hvor nu nedbrudte mikrobielle måtter plejede at være. Jo mere omfattende dækningen er, jo mindre porøsitet, hvilket reducerede chancerne for, at væsker trænger ind i dem, interagere med og opløse mineralerne, og i det væsentlige slette data. Forsøgene, der manglede mangan eller udførte i mørke (ikke fotosyntese), udviklede forstyrret dolomit. "Vi forstår ikke præcis, hvorfor mangan og mikroberne har den effekt, men det virker som om de gør. Det er næsten som en naturlig konsekvens af den slags tilstande, " siger Bosak. Ikke desto mindre, "Det var en stor ting at vise, at det faktisk kan ske."

Nu hvor holdet har fundet en måde at lave bestilt dolomit på, de planlægger at undersøge, hvorfor det dannes, variationer, og hvordan klippen registrerer de miljømæssige forhold, den dannes i. Efter at have set den effekt, mangan havde på dolomit, forskerne vil se på jernioner, som integreret i disse gamle klipper. "Jern synes også at stimulere dannelsen af ​​inkorporering af magnesium i dette mineral, uanset årsagen, siger Bosak.

De vil også undersøge de unikke mikrobielle interaktioner og fysiske egenskaber, der er til stede for at se, hvilke komponenter der er afgørende for udfældning af dolomit. De individuelle nicher, som hver anaerobe organisme indtager, ser ud til at hjælpe samfundet med at vokse, cyklus elementer, nedbryder stoffer, og give en overflade til krystaller. Det vil Bosak-gruppen gøre ved at fossilisere forskellige organismer under samme eller forskellige miljøforhold for at se, om de kan producere dolomit. Under disse eksperimenter, de vil overvåge, hvor godt dolomit registrerer temperaturen, hvor det blev fremstillet, samt den kemiske og isotopiske sammensætning af den omgivende opløsning, at forstå processen bedre.

"Jeg tror, ​​det fortæller os, at - når vi forsøger at fortolke fortiden - er det en virkelig anderledes planet:forskellige typer organismer, forskellige typer af stofskifte, der var dominerende, " siger Bosak, "og jeg tror, ​​vi er lige begyndt at ridse overfladen af, hvilke mulige mineraludfald, hvilken slags teksturelle resultater, vi overhovedet kan forvente."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.