Архейская жизнь в поясе Барбертон Гринстоун
Некоторые из наиболее широко признанных ископаемых свидетельств архейской жизни

Зеленокаменный пояс Барбертона в восточной части Южной Африки содержит некоторые из наиболее широко признанных ископаемых свидетельств архейской жизни. Эти прокариотные окаменелости размером с клетку встречаются в палеонтологической летописи Барбертона в породах возрастом 3,5 миллиарда лет. [1] Зеленокаменный пояс Барбертона является прекрасным местом для изучения архейской Земли из-за обнаженных осадочных и метаосадочных пород.

Изучение самых ранних форм жизни на Земле может предоставить ценную информацию, которая поможет понять, как жизнь могла развиться на других планетах . Долгое время предполагалось, что жизнь могла существовать на Марсе из-за сходства экологических и тектонических условий в архейский период. [2] Зная среду, в которой развивалась ранняя жизнь на Земле, и типы горных пород, которые ее сохранили, ученые могут лучше понять, где искать жизнь на Марсе.

Зеленокаменный пояс расположен в выделенной красным области на востоке Южной Африки.

Глобальное начало жизни

Ископаемая жизнь возрастом 3,5 миллиарда лет также обнаружена в кратоне Пилбара в Западной Австралии. [3] Эти доказательства, наряду с окаменелостями Барбертона, показывают, что клеточная жизнь должна была существовать к этому моменту эволюции Земли. Есть работа, которая потенциально демонстрирует жизнь 3,8 миллиарда лет назад, на территории современной западной Гренландии , [4] [5], но это вызывает бурные споры. Клеточная жизнь существовала 3,5 миллиарда лет назад и, таким образом, она эволюционировала до этого времени. Поскольку Земле 4,5 миллиарда лет, [6] существует окно примерно в один миллиард лет для развития клеточной жизни на безжизненной Земле.

Архейская тектоническая история зеленокаменного пояса Барбертон

Зеленокаменный пояс Барбертон расположен на кратоне Каапвааль , который охватывает большую часть юго-восточной части Африки, и был образован в результате внедрения гранитоидных батолитов . [7] Кратон Каапвааль когда-то был частью суперконтинента , который геологи называют Ваальбара , в который также входил кратон Пилбара в Западной Австралии. [7] Хотя точное время его возникновения до сих пор является предметом споров, вполне вероятно, что Ваальбара существовала примерно от 3,6 до 2,2 миллиарда лет назад, [8] а затем разделилась на два разных континента.

Доказательства жизни

Сохранившаяся жизнь в архейских породах изменилась за 3,5 миллиарда лет своей истории и, таким образом, ее трудно различить. Структура клеточной стенки может быть сохранена, но исходный состав со временем меняется и минерализуется . Существует шесть установленных критериев для определения правдоподобности данной микроструктуры как микроископаемого : [9] [10]

  1. Настоящие микроископаемые должны встречаться относительно часто.
  2. Настоящие микроископаемые должны иметь углеродистый состав или, если они минеральные, быть биологически осажденными (например, некоторые бактерии образуют пирит в результате метаболических процессов) [11] .
  3. Настоящие микроископаемые должны иметь биологическую морфологию . (см. следующий раздел)
  4. Настоящие микроископаемые должны встречаться в геологически правдоподобном контексте (например, в магматических породах микроископаемые отсутствуют , поскольку жизнь не может развиваться в расплавленной лаве).
  5. Настоящие микроископаемые должны вписываться в устоявшийся эволюционный контекст (например, маловероятно, что сложные микроископаемые будут существовать 3,5 миллиарда лет назад, поскольку они еще не эволюционировали от своих более простых клеточных предков).
  6. Настоящие микроископаемые должны отличаться от небиогенного углеродистого вещества. (см. раздел «Изотопный анализ»).

Морфология клетки

Клетки сохраняются в горной породе, потому что их клеточные стенки состоят из белков, которые преобразуются в органический материал кероген, когда клетка распадается после смерти. Кероген нерастворим в минеральных кислотах , основаниях и органических растворителях . [12] Со временем он минерализуется в графит или графитоподобный углерод или распадается на углеводороды нефти и газа. [13]

Три основных типа морфологии клеток архей

Существует три основных типа морфологии клеток. Хотя не существует установленного диапазона размеров для каждого типа, сфероидальные микроископаемые могут быть размером около 8 мкм, нитевидные микроископаемые имеют диаметр, как правило, менее 5 мкм, и длину, которая может варьироваться от десятков мкм до 100 мкм, а веретенообразные микроископаемые могут достигать 50 мкм. [1] [14]

Изотопный анализ

Стабильное изотопное фракционирование является полезным способом характеристики органического углерода и неорганического углерода. Эти числа сообщаются как значения δ 13 C , где C — химический элемент углерод. Изотопный анализ неорганического углерода обычно дает значения δ 13 C тяжелее, чем −10 промилле , с числами, обычно попадающими в диапазон от −5 до 5 промилле. Органический углерод, однако, имеет значения δ 13 C, которые варьируются от −20 промилле для фотоавтотрофных бактерий [15] до −60 промилле для микробных сообществ, которые перерабатывают метан . [16] Большой диапазон значений для органического углерода связан с клеточным метаболизмом . Например, организм , который использует фотосинтез ( фототроф ), будет иметь другое значение изотопа δ 13 C, чем организм, который полагается на химические вещества для получения энергии ( автотроф ).

Ископаемые останки

Самые древние микроископаемые из пояса Барбертон Гринстоун обнаружены в группе Онвервахт, в частности, в формациях Кромберг и Хуггеног. [1] Обе эти формации в основном представляют собой магматические породы ; осадочные породы были метаморфизованы. Однако все еще возможно найти микроископаемые в кремне , типе эвапорита , который образуется в осадочных средах. Из доказательств в этих породах, вероятно, что ранняя жизнь существовала в форме микробных матов и строматолитов . Доказательства этой гипотезы сохранились как в кремне, так и в литифицированных строматолитах. [1]

Строматолиты представляют собой большие колонии микроорганизмов и встречаются как в палеонтологической летописи, так и редко в современных гиперсоленых средах. Типичный строматолит состоит из чередующихся слоев осадка и микробов . Микробы фотосинтезируют ; таким образом, строматолиты представляют мелководные среды в палеонтологической летописи из-за необходимости существовать в фотической зоне водоемов. Строматолиты обычно состоят из нитевидных микроископаемых. [17] Самые старые строматолиты датируются приблизительно 3,5 миллиардами лет. [18] Строматолиты в Барбертоне датируются приблизительно 3,3 миллиардами лет.

Микроископаемые, найденные в кремне, расширяют летопись микроископаемых Барбертона до 3,5 миллиардов лет. Все три типа морфологии микроископаемых обнаружены в кремнях. Кремень может иметь различные цвета, но микроископаемые обычно обнаруживаются в черных кремнях, поскольку темный цвет может указывать на органический материал. [1]

Будущие приложения

Ученые установили приблизительный возраст, когда жизнь впервые появляется в палеонтологической летописи, но это не эквивалентно возрасту, когда жизнь впервые появилась на Земле. Хотя окаменелости не были найдены в более старых породах, доказательства жизни можно найти другими способами, такими как расширенные данные по изотопам углерода и Рамановская спектроскопия . В научном сообществе также ведется работа по решению проблемы того, как клеточная жизнь развивалась на враждебной ранней Земле.

Ссылки

  1. ^ abcde Уолш, М. (1991). "Микроископаемые и возможные микроископаемые из ранней архейской группы Онвервахт, горная земля Барбертон, Южная Африка". Precambrian Research . 54 ( 2– 4): 271– 293. doi :10.1016/0301-9268(92)90074-X. PMID  11540926.
  2. ^ Westall, F.; Steele, A.; Toporski, J.; Walsh, M.; Allen, C.; Guidry, S.; McKay, K.; Gibson, E.; Chafetz, H. (2000). «Внеклеточные полимерные вещества как биомаркеры в земных и внеземных материалах». Journal of Geophysical Research . 105 (10): 24511– 24527. Bibcode : 2000JGR...10524511W. doi : 10.1029/2000JE001250 .
  3. ^ Schopf, JW (2006). «Ископаемые свидетельства архейской жизни». Philosophical Transactions of the Royal Society B . 361 (1470): 869– 885. doi :10.1098/rstb.2006.1834. PMC 1578735 . PMID  16754604. 
  4. ^ Mojzsis, SJ; Arrhenius, G.; Keegan, KD; Harrison, TH; Nutman, AP; Friend, CLR (2007). «Доказательства существования жизни на Земле 3800 миллионов лет назад». Nature . 384 (6604): 55– 58. Bibcode :1996Natur.384...55M. doi :10.1038/384055a0. hdl : 2060/19980037618 . PMID  8900275. S2CID  4342620.
  5. ^ Маккиган, К. Д.; Кудрявцев, А. Б.; Шопф, Дж. В. (2007). «Рамановские и ионно-микроскопические изображения графитовых включений в апатите из супракрустальных пород Акилии возрастом более 3830 млн лет, западная Гренландия». Геология . 35 (7): 591– 594. Bibcode : 2007Geo....35..591M. doi : 10.1130/G23465A.1.
  6. ^ Паттерсон, К. (1956). «Эпоха метеоритов и Земли» (PDF) . Geochimica et Cosmochimica Acta . 10 (4): 230–237 . Бибкод : 1956GeCoA..10..230P. дои : 10.1016/0016-7037(56)90036-9.
  7. ^ ab Cheney, ES (1996). "Стратиграфия последовательностей и значение тектонических плит трансваальской последовательности южной Африки и ее эквивалента в Западной Австралии". Precambrian Research . 79 ( 1– 2): 3– 24. Bibcode :1996PreR...79....3C. doi :10.1016/0301-9268(95)00085-2.
  8. ^ Zegers, TE; de Wit, M.; Dann, J.; White, SH (1998). «Ваалбара, старейший собранный континент Земли? Объединенный структурный, геохронологический и палеомагнитный тест». Terra Nova . 10 (5): 250–259 . Bibcode : 1998TeNov..10..250Z. CiteSeerX 10.1.1.566.6728 . doi : 10.1046/j.1365-3121.1998.00199.x. S2CID  52261989. 
  9. ^ Schopf, JW; Walter,MR (1983). «Архейские микроископаемые: новые свидетельства существования древних микробов». В Schopf, JW (ред.). Самая ранняя биосфера Земли . Нью-Джерси: Princeton University Press. стр.  214–239 .
  10. ^ Buick, R. (1984). «Углеродистые нити с Северного полюса, Западная Австралия: являются ли они ископаемыми бактериями в архейских строматолитах?» (PDF) . Precambrian Research . 24 (2): 157– 172. Bibcode :1984PreR...24..157B. doi :10.1016/0301-9268(84)90056-1. Архивировано из оригинала (PDF) 25 апреля 2012 г.
  11. ^ Ohmoto, H.; Kakegawa, T.; Lowe, DR (1993). «3,4-миллиардные биогенные пириты из Барбертона, Южная Африка: свидетельства изотопов серы». Science . 262 (5133): 555– 557. Bibcode :1993Sci...262..555O. doi :10.1126/science.11539502. PMID  11539502.
  12. ^ Филп, РП; Кэлвин, М. (1976). «Возможное происхождение нерастворимых органических (керогеновых) остатков в осадках из нерастворимых материалов клеточных стенок водорослей и бактерий». Nature . 262 (5564): 134– 136. Bibcode :1976Natur.262..134P. doi :10.1038/262134a0. S2CID  42212699.
  13. ^ Тегелаар, EW; деЛеу, JW; Деренн, С.; Ларго, К. (1989). «Переоценка образования керогена». Geochimica et Cosmochimica Acta . 53 (11): 3103–3106 . Бибкод : 1989GeCoA..53.3103T. дои : 10.1016/0016-7037(89)90191-9.
  14. ^ Oehler, DZ; Robert, F.; Mostefaoui, S.; Meibom, A.; Selo, M.; McKay, DS (2006). «Химическое картирование протерозойской органической материи с субмикронным пространственным разрешением». Astrobiology . 6 (6): 838– 850. Bibcode :2006AsBio...6..838O. doi :10.1089/ast.2006.6.838. hdl : 2060/20060028086 . PMID  17155884.
  15. ^ Шидловски, М.; Хейс, Дж. М.; Каплан, ИР (1983). Дж. В. Шопф (ред.). Ранняя биосфера Земли . Издательство Принстонского университета. С.  149–186 .
  16. ^ Шидловски, М. (1988). «3800-миллионная изотопная летопись жизни из углерода в осадочных породах». Nature . 333 (6171): 313– 318. Bibcode : 1988Natur.333..313S. doi : 10.1038/333313a0. S2CID  4233179.
  17. ^ Байерли, GR; Лоу, DR; Уолш, M. (1986). «Строматолиты из супергруппы Свазиленда возрастом от 3300 до 3500 млн лет, горный массив Барбертон, Южная Африка». Nature . 319 (6053): 489– 491. Bibcode :1986Natur.319..489B. doi :10.1038/319489a0. S2CID  4358045.
  18. ^ Allwood, A.; Kamber, BS; Walter, MR; Burch, IW; Kanik, I. (2010). "Trace elements record depositional history of an Early Archaean stromatolitic carbon platform" (PDF) . Chemical Geology . 270 ( 1– 4): 148– 163. Bibcode :2010ChGeo.270..148A. doi :10.1016/j.chemgeo.2009.11.013. Архивировано из оригинала (PDF) 25 апреля 2012 г. . Получено 18 ноября 2011 г. .
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Архейская_жизнь_в_Барбертонском_Гринстоунском_поясе&oldid=1192414823"