Kako su mikroorganizmi formirali zemljinu koru

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Planine izgledaju posebno impresivno na pozadini beskrajne mongolske stepe. Stojeći u podnožju, čovjek dolazi u iskušenje razmišljati o kolosalnoj snazi utrobe zemlje koja je nagomilala ove grebene. Ali već na putu prema vrhu upada u oči tanki uzorak koji prekriva stjenovite izbočine. Ova kišnica je malo nagrizla porozne kosture drevnih arheocijatnih spužvi koje su činile planinu, pravih graditelja planinskog lanca.

Mali divovi velike gradnje

Jednom, prije više od pola milijarde godina, uzdigli su se s dna toplog mora kao svijetli greben vulkanskog otoka. Umro je prekriven debelim slojem vrućeg pepela - neki su arheocijati čak i izgorjeli, a šupljine su sačuvane u smrznutom tufu.

No, mnogi kosturi, koji su se za života srasli i "ukočili" u stijenu vijugavim slojevima morskog cementa, ostali su na svojim uobičajenim mjestima i danas, kada mora odavno nema. Svaki takav kostur manji je od malog prsta. Koliko je tamo?

Kosturi sićušnih radiolarija tvore silikatne stijene planinskih lanaca.

Procijenivši volumen niske planine (oko kilometar u podnožju i oko 300 m visine), možemo izračunati da je u njenoj izgradnji sudjelovalo oko 30 milijardi spužvi. Ovo je jako podcijenjena brojka: mnogi kosturi su odavno utrljani u prah, drugi su se potpuno otopili, a da nisu imali vremena da budu prekriveni zaštitnim slojevima sedimenta. A ovo je samo jedna planina, a na zapadu Mongolije postoje čitavi lanci.

Koliko je vremena trebalo malim spužvama da dovrše tako grandiozni “projekt”?

A eto u blizini još jedna litica, manja i ne bijela, vapnenasta, nego crvenkasto siva. Tvore ga tanki slojevi silicijskog škriljevca, hrđavog zbog oksidacije željeznih inkluzija. Nekada su ove planine bile morsko dno, a ako se pravilno razdvojite po slojevima (udarite jako, ali pažljivo), onda na površini koja se otvara možete vidjeti bezbroj iglica i križeva od 3-5 mm.

Riječ je o ostacima morskih spužvi, ali, za razliku od cijelog vapnenačkog skeleta arheocijata, njihova je baza formirana od zasebnih silicijskih elemenata (spikula). Stoga su se, nakon što su umrli, srušili, posuli dno svojim "pojedinostima".

Kostur svake spužve sastojao se od najmanje tisuću "iglica", oko 100 tisuća ih je razasuto po svakom kvadratnom metru. Jednostavna aritmetika nam omogućuje da procijenimo koliko je životinja bilo potrebno da se formira sloj od 20 metara na površini od najmanje 200 x 200 m: 800 milijardi. A ovo je samo jedna od visina oko nas - i samo par grubih izračuna. Ali već iz njih je jasno da što su organizmi manji, to je njihova stvaralačka moć veća: glavni graditelji Zemlje su jednostanični.

Ažurne vapnenačke ploče jednostaničnih planktonskih algi - kokoliti - spajaju se u velike kokosfere, a kada se mrve, pretvaraju se u naslage krede.

Na kopnu, u vodi i u zraku

Poznato je da u svakom 1 cm³Kreda za pisanje sadrži oko 10 milijardi finih vapnenačkih ljuskica planktonskih algi kokolitoforida. Mnogo kasnije od vremena mongolskih mora, u mezozoiku i sadašnjoj kenozoičkoj eri, podigli su litice od krede Engleske, Volga Zhiguli i druge masive, prekrivajući dno svih modernih oceana.

Obim njihovih građevinskih aktivnosti je nevjerojatan. Ali blijede u usporedbi s drugim transformacijama koje je njezin vlastiti život napravio na planetu.

Slan okus mora i oceana određen je prisutnošću klora i natrija. Niti jedan od ovih elemenata nije potreban morskim stvorenjima u velikim količinama, a nakupljaju se u vodenoj otopini. Ali gotovo sve ostalo – sve što rijekama iznesu i što dolazi iz utrobe kroz vrela dna – apsorbira se u trenu. Jednostanične dijatomeje i radiolarije uzimaju silicij za svoje ukrašene školjke.

Gotovo svi organizmi trebaju fosfor, kalcij i, naravno, ugljik. Zanimljivo je da se stvaranje vapnenačkog kostura (poput onog od koralja ili drevnih arheocijata) događa oslobađanjem ugljičnog dioksida, pa je efekt staklenika nusprodukt izgradnje grebena.

Kokolitoforidi apsorbiraju ne samo kalcij iz vode, već i otopljeni sumpor. Potreban je za sintezu organskih spojeva koji povećavaju plovnost algi i omogućuju im da ostanu blizu osvijetljene površine.

Kada te stanice odumru, organska se raspada, a hlapljivi spojevi sumpora isparavaju zajedno s vodom, služeći kao sjeme za stvaranje oblaka. Litra morske vode može sadržavati do 200 milijuna kokolitoforida, a svake godine ti jednostanični organizmi u atmosferu isporuče do 15,5 milijuna tona sumpora – gotovo dvostruko više od kopnenih vulkana.

Sunce je sposobno dati Zemlji 100 milijuna puta više energije od vlastite utroba planeta (3400 W/m² u odnosu na 0,00009 W/m²). Zahvaljujući fotosintezi, život može koristiti te resurse, stječući snagu koja nadilazi mogućnosti geoloških procesa. Naravno, velik dio sunčeve topline jednostavno se raspršuje. Ali svejedno, protok energije koju proizvode živi organizmi je 30 puta veći od geološkog. Život kontrolira planet najmanje 4 milijarde godina.

Prirodno zlato ponekad tvori bizarne kristale koji su vrijedniji od samog plemenitog metala.

Sile svjetlosti, sile tame

Bez živih organizama mnoge sedimentne stijene uopće ne bi nastale. Mineralog Robert Hazen, koji je usporedio raznolikost minerala na Mjesecu (150 vrsta), Marsu (500) i našem planetu (više od 5000), zaključio je da je pojava tisuća kopnenih minerala izravno ili neizravno povezana s djelovanjem njegovih biosfera. Sedimentne stijene nakupljene na dnu vodenih tijela.

Potonuvši u dubinu, tijekom milijuna i stotina milijuna godina, ostaci organizama formirali su snažne naslage, koje je ostalo istisnuti na površinu u obliku planinskih lanaca. To je zbog pomicanja i sudara ogromnih tektonskih ploča. Ali sama tektonika ne bi bila moguća bez podjele stijena na neku vrstu "tamne" i "svjetle materije".

Prvi je zastupljen, primjerice, bazaltima, gdje prevladavaju minerali tamnih tonova - pirokseni, olivini, bazični plagioklasi, a među elementima - magnezij i željezo. Potonji, poput granita, sastoje se od minerala svijetle boje - kvarca, kalijevih feldspata, albitnih plagioklasa, bogatih željezom, aluminijem i silicijem.

Tamne stijene su gušće od svijetlih (u prosjeku 2,9 g/cm³ protiv 2,5-2,7 g / cm³) i formiraju oceanske ploče. Prilikom sudara s manje gustim, "laganim" kontinentalnim pločama, oceanske tonu ispod njih i tope se u utrobi planeta.

Svijetle trake željeznih ruda odražavaju sezonsku izmjenu tamnih silicijskih i crvenih željeznih slojeva.

Najstariji minerali ukazuju da se prva pojavila "tamna tvar". Međutim, ove guste stijene nisu mogle potonuti u sebe kako bi pokrenule ploče. To je zahtijevalo "svijetlu stranu" - minerale, kojih nema dovoljno u nepokretnoj kori Marsa i Mjeseca.

Nije bez razloga Robert Hazen smatra da su živi organizmi Zemlje, pretvarajući neke stijene u druge, u konačnici doveli do nakupljanja "lake materije" ploča. Naravno, ta stvorenja - većinom jednostanične aktinomicete i druge bakterije - nisu si postavila tako super zadatak. Cilj im je, kao i uvijek, bio pronaći hranu.

Crna metalurgija oceana

Zapravo, bazaltno staklo koje je izbio vulkan ima 17% željeza, a svaki njegov kubični metar sposoban je hraniti 25 kvadrilijuna željeznih bakterija. Postojeći najmanje 1,9 milijardi godina, vješto pretvaraju bazalt u "nanošet" ispunjen novim mineralima gline (posljednjih godina takav mehanizam prepoznat je kao biogena tvornica minerala gline). Kada se takva stijena pošalje u crijeva na topljenje, iz nje nastaju novi, "laki" minerali.

Vjerojatno proizvod bakterija i željeznih ruda. Više od polovice njih nastalo je između 2, 6 i 1,85 milijardi godina, a samo Kurska magnetska anomalija sadrži oko 55 milijardi tona željeza. Bez života jedva bi se mogli akumulirati: za oksidaciju i taloženje željeza otopljenog u oceanu potreban je slobodni kisik, čija je pojava u potrebnim količinama mogućna samo zahvaljujući fotosintezi.

Acidovorax bakterije potiču stvaranje zelene hrđe – željeznog hidroksida.

Život je u stanju provoditi "obradu" željeza i u tamnim, kisikom lišenim dubinama. Atome ovog metala, odnešene podvodnim izvorima, hvataju bakterije sposobne oksidirati fero željezo u feri željezo, koje se taloži na dno sa zelenom hrđom.

Prije nekoliko milijardi godina, kada je na planeti još bilo vrlo malo kisika, to se događalo posvuda, a danas se aktivnost ovih bakterija može vidjeti u nekim vodenim tijelima siromašnim kisikom.

Dragocjeni mikrobi

Moguće je da se velike naslage zlata ne bi pojavile bez sudjelovanja anaerobnih bakterija koje ne trebaju kisik. Glavna ležišta plemenitog metala (uključujući Witwatersrand u južnoj Africi, gdje su istražene rezerve oko 81 tisuću tona) nastala su prije 3,8-2,5 milijardi godina.

Tradicionalno se vjerovalo da su lokalne rude zlata nastale prijenosom i ispiranjem zlatnih čestica rijekama. Međutim, proučavanje Witwatersrandovog zlata otkriva sasvim drugačiju sliku: metal su "iskopale" drevne bakterije.

Dieter Halbauer je još 1978. opisao čudne karbonske stupove uokvirene česticama čistog zlata. Dugo vremena njegovo otkriće nije izazivalo veliku pozornost sve dok mikroskopska i izotopska analiza uzoraka rude, modeliranje nastanka rude kolonijama suvremenih mikroba i drugi proračuni nisu potvrdili geologovu ispravnost.

Očigledno, prije oko 2,6 milijardi godina, kada su vulkani zasitili atmosferu sumporovodikom, sumpornom kiselinom i sumpornim dioksidom s vodenom parom, kisele kiše su isprale stijene koje su sadržavale raspršeno zlato i odnijele otopine u plitku vodu. Međutim, sam plemeniti metal tamo je došao u obliku najopasnijih spojeva za sva živa bića, poput cijanida.

Spriječavajući prijetnju, mikrobi su "dezinficirali" vodu, reducirajući toksične soli zlata u organometalne komplekse ili čak u čisti metal. Svjetlucave čestice taložile su se na kolonijama bakterija, tvoreći odljevke višestaničnih lanaca, koji se sada mogu vidjeti skenirajućim elektronskim mikroskopom. Mikrobi nastavljaju taložiti zlato čak i sada - ovaj proces se, na primjer, opaža u toplim izvorima na Novom Zelandu, iako u vrlo skromnim razmjerima.

I Witwatersrand, a vjerojatno i druge naslage iste starosti bile su rezultat vitalne aktivnosti bakterijskih zajednica u atmosferi bez kisika. Kurska magnetska anomalija i srodna ležišta željezne rude nastala su na početku epohe kisika. Međutim, više naslaga ovog razmjera nije se pojavilo i malo je vjerojatno da će se ikada ponovno početi oblikovati: sastav atmosfere, stijena i oceanskih voda od tada se mnogo puta promijenio.

Ali tijekom tog vremena promijenilo se i bezbroj generacija živih organizama, a svaki od njih uspio je sudjelovati u globalnoj evoluciji Zemlje. Šištari morskih spužvi i kopnenih preslica nestali su, čak su i krda mamuta prošlost, ostavljajući trag u geologiji. Došlo je vrijeme za druga bića i nove promjene u svim školjkama našeg planeta – vodi, zraku i kamenu.