麻省理工“造出”远古矿物白云石!

时间:2019-06-08 18:47:39来源:芝麻鲸选官网【APP注册邀请码:3368】  阅读:(144)收藏
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说到在地质历史上留下持久的印象,介质起着至关重要的作用,尤其是在地球的古海洋中。大气和海洋中的氧气含量远低于今天,沉积岩矿物以微生物群落创造的精细结构形式保存了生物活动特征。

麻省理工“造出”远古矿物白云石!

说到在地质历史上留下持久的印象,介质起着至关重要的作用,尤其是在地球的古海洋中。在太古宙(4000 - 2500万年前)和元古代(2500 - 5.41亿年前),大气和海洋中的氧气含量远低于今天,沉积岩矿物以微生物群落创造的精细结构形式保存了生物活动特征。这些岩石形成的环境条件决定了晶体结构的形成——越有序、越细粒度,保存得越好。了解并更好地复制这些古老矿物的生长方式,可以提供有关地球过去环境的信息,以及生物体如何发展和表现的信息。

麻省理工“造出”远古矿物白云石!

到目前为止,这些含化石的岩石中有一块已经被证明很难在实验室中复制。麻省理工学院(MIT)和普林斯顿大学(Princeton University)研究人员发现了一种方法,可以在实验室里模拟远古地球的一部分,方法是复制这些耐候性强、携带信息的矿物质之一白云石。白云石的形成长期困扰着科学家。白云石是一种与石灰石密切相关的矿物,而且可以从石灰石中产生,白云石在过去是普遍存在的;然而,研究人员很少在现代环境中发现它。虽然它是由通常在海水中发现的成分产生,但存在着物理和动力学障碍,阻止了碳酸钙(CO3-2)离子与钙和镁交替中心原子形成白云岩层。

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  • 在不同的环境条件下,厌氧微生物席上形成了微颗粒白云岩。图片:Lauren Hinkel

另外,研究报告了原白云岩(一种晶体结构紊乱的岩石,只发生在非常咸的现代环境中)但是这种矿物不能像它更有序的兄弟那样保存同样精细的微生物结构。要寻找远古生命和古老过程的证据,必须研究微生物结构。这就是信息所在。麻省理工学院地球、大气和行星科学系副教授Tanja Bosak说:其中一些信息以非常细粒度的白云岩的形式保存下来,几乎随着微生物的生长而沉淀下来。团队利用实验地球生物学来探索微生物系统中的现代生物地球化学和沉积过程,并解释早期地球上的生命记录。

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然而,随着时间的推移,在许多微生物结构中存在着一个关于细粒白云岩起源的大问题:在地球表面条件下,没有明确的方法来形成白云岩。其研究结果发表在《地质学报告》上,这是有序白云岩的首次形成。发现,捕捉这些纹理的诀窍可能是锰离子、海水、光线以及无氧环境中厌氧、硫代谢、光合微生物的生物膜。该研究的共同作者是前EAPS博士后Mirna Daye和普林斯顿大学副教授John Higgins。

白云岩问题与秩序的重要性

自从18世纪在意大利北部的白云岩山区首次发现白云岩以来,科学家们一直为白云岩是如何形成的,以及为什么现代有如此多的古代白云岩,而这种矿物却如此之少而感到困惑,这个问题被称为“白云石问题”。科学家们发现现代白云岩的形成主要有两种方式:当浅而高盐的海水被加热时,当石灰岩遇到富含镁的水时,就会沉淀下来,就像被海水溶液侵入的暗礁一样。然而,这两种方法都产生了大晶体,掩盖了许多生物信息。然而,在现代海水中,文石和方解石(碳酸钙的不同晶体结构)比白云石更容易析出。

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如果把烧杯里的海水加热到很高的温度,制造白云石并不难,但是你永远不会在地球表面的温度和压力下得到白云石。镁很难进入矿物质中,它并不想进入晶格。这只是整体情况的一部分。此外,这些机制没有解释在保存这些结构的太古代和元古代时期所见到的矿物变化(锰或富铁白云岩)。可以看到海水相对于白云石是饱和的,(但)它就是不形成,因此存在一些动力学障碍。直到20世纪初,一位俄罗斯微生物学家才证明厌氧菌有可能从海水中的矿物质中形成白云石,这个过程被称为生物矿化。

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从那时起,研究人员发现,在现代环境中,含有光合作用微生物的生物膜和它们为自己的家(外聚物)排出的黏稠有机基质(外聚物)在高度蒸发的盐水池中可以提供白云石成核和生长的表面。然而,这些生物膜不是光合作用。相比之下,许多在氧气上升之前被保存下来的微生物结构在含盐量较低的海洋环境中生长,被认为是由光合微生物群落产生。此外,过去被认为参与这一过程的离子和微生物位置可能有所不同。过去的微生物依靠硫化物、氢或铁离子进行光合作用。

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研究人员怀疑,20多亿年前,锰和铁离子存在于海洋沉积物甚至水柱中。今天,由于有氧气的大气,它们被深埋在沉积物中,在那里可以发生厌氧条件。然而,缺少阳光意味着微生物席不能在这里生长,白云石也不能。虽然微生物参与的建议是解决白云石问题的一个强有力步骤,但微生物在阳光照射下的海洋区域定居沉积物的晶体排列和形成问题仍然没有解决。

再造“重建”过去

在研究早期沉积学保存的同时,该小组进行了一系列实验,在厌氧大气中复制了这些古代海洋的条件。他们将现代生物膜、明暗环境和经过改造的海水结合起来,模拟有锰和无锰的早期地球环境。锰是矿物质中常见的一种金属,被认为有助于细菌生长。研究人员使用的微生物来自纽约北部的一个湖泊,来自缺氧的深处。在实验中,研究人员注意到一些意想不到的事情(生物膜中最丰富的矿物质是高度有序的白云石,而产生最多光合作用微生物和锰的小瓶)这一结果与现场报道一致。

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当这些垫子朝着光的方向生长时,它们上面积累了晶体,最古老的在底部捕获微小的摆动,而现在降解的微生物垫子曾经在那里。覆盖范围越广,孔隙度就越小,这就减少了流体渗入岩石、与矿物相互作用和溶解,并基本上消除了数据的可能性。缺锰或在黑暗中(不进行光合作用)进行的实验发育出无序的白云岩。不清楚锰和微生物为什么会产生这种影响,但似乎确实如此。这几乎是那种情况的自然结果,尽管如此,这是一件大事,表明这是可以实现的。现在研究小组已经找到了一种制造有序白云石的方法,他们计划研究为什么它会形成、变化,以及岩石如何记录它形成的环境条件。

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在看到锰对白云岩的影响后,研究人员将研究铁离子,它们整合在这些古老的岩石中。不管出于什么原因,铁似乎也能促进镁融入这种矿物质的形成。研究团队还将研究独特的微生物相互作用和物理特性,以了解沉淀白云岩所必需的成分。每个厌氧生物所占据的个体壁龛似乎有助于群落的生长、循环元素、降解物质,并为晶体提供一个表面。研究小组将在相同或不同的环境条件下把各种生物化石化,看看它们是否能产生白云石。在这些实验中,他们将监测白云石记录温度的好坏,以及周围溶液的化学和同位素组成,以便更好地了解这一过程。

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