2023 Avtor: Sophia Otis | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-05-21 01:53
Znanstveniki z vsega sveta so rekonstruirali spremembe v kemiji starodavnega oceana Zemlje v širokem geološkem času, od približno 2,5 do 0,5 milijarde let nazaj. Odkrili so, da je pomanjkanje kisika in težke kovine molibdena v starodavnem globokem oceanu morda odložilo razvoj živalskega življenja na Zemlji za skoraj 2 milijardi let.
Raziskovalci so prišli do svojega rezultata s sledenjem molibdena v črnih skrilavcih, ki so nekakšna sedimentna kamnina, bogata z organsko snovjo in jo običajno najdemo v globokem oceanu. Molibden je ključno mikrohranilo za življenje in služi kot približek za količine oceanskega in atmosferskega kisika.
Po začetnem dvigu kisika v zemeljski atmosferi pred 2,4 milijarde let je bil kisik prenesen v površinski ocean za podporo mikroorganizmom, ki zahtevajo kisik. Kljub temu je raznolikost teh enoceličnih življenjskih oblik ostala nizka, njihovi večcelični predniki, živali, pa so se pojavili šele pred približno 600 milijoni let, je pojasnil Timothy Lyons, profesor biogeokemije na Oddelku za znanosti o Zemlji na kalifornijski univerzi., Riverside in eden od avtorjev študije.
Ob sumu, da bi pomanjkanje kisika in molibdena lahko pojasnilo to evolucijsko zaostajanje, so Lyons in njegovi sodelavci sčasoma izmerili številčnost molibdena v starodavnih morskih sedimentih, da bi ocenili, koliko kovine je bilo raztopljenega v morski vodi, v kateri so nastale usedline..
Raziskovalci so odkrili pomembne dokaze iz prve roke za ocean, osiromašen z molibdenom, glede na visoke ravni, izmerjene v sodobni, s kisikom bogati morski vodi.
Molibden je še posebej zanimiv, ker ga nekatere bakterije uporabljajo za pretvorbo elementa dušika iz plina v ozračju v obliko, uporabno za živa bitja - proces, znan kot "fiksacija dušika". Bakterije ne morejo učinkovito fiksirati dušika, če jim primanjkuje molibdena. In če bakterije ne morejo dovolj hitro fiksirati dušika, so evkarionti – nekakšen organizem, ki vključuje rastline, pahikožce in ljudi – v težavah, ker evkarionti sami sploh ne morejo popraviti dušika.
"Ta izčrpanost molibdena je morda upočasnila razvoj kompleksnega življenja, kot so živali, za skoraj dve milijardi let zgodovine Zemlje," je dejal Lyons. "Količina molibdena v oceanu je verjetno igrala pomembno vlogo pri razvoju zgodnjega življenja. Tako kot v primeru železa danes, lahko molibden obravnavamo kot mikrohranilo, ki potrjuje življenje, ki uravnava biološko kroženje dušika v oceanu.
"Hkrati nizka številčnost molibdena v zgodnjem oceanu sledi globalnemu obsegu morske vode, revne s kisikom, in pomeni, da je bila količina kisika v ozračju še vedno nizka.
"Poznavanje količine kisika v zgodnjem oceanu je pomembno iz številnih razlogov, vključno z izpopolnjenim razumevanjem, kako in kdaj se je v ozračju prvič začel kopičiti pomemben kisik," je dejal Lyons. "Ti koraki v oksigenaciji so tisto, kar je na koncu povzročilo prve živali pred skoraj 600 milijoni let - le zadnja desetina zgodovine Zemlje."
Ooksigenacija Zemlje
Da bi se živalsko življenje začelo, preživelo in sčasoma razširilo na Zemlji, je bila potrebna mejna količina kisika – ocenjena na 1 do 10 odstotkov sedanjih atmosferskih ravni kisika –.
Pretekle raziskave so pokazale, da je oksigenacija Zemlje potekala v dveh glavnih korakih:
- Prvi korak, pred približno 2,4 milijarde let, se je zgodil, ko je ocean prešel v stanje, ko so fotosintetizirajoče bakterije oksigenirale samo površinski ocean, medtem ko je bil globok ocean razmeroma brez kisika.
- Drugi korak, pred približno 600 milijoni let, je zaznamoval priložnost, ko je celoten ocean postal popolnoma nasičen s kisikom skozi proces, ki še ni popolnoma razumljen.
"Želeli smo vedeti, kakšno je stanje oceana med dvema korakoma," je dejal Clinton Scott, podiplomski študent, ki dela v Lyonovem laboratoriju in prvi avtor raziskovalne naloge. "S sledenjem molibdenu v skrilavcih, bogatih z organsko snovjo, smo ugotovili, da je globok ocean po prvem koraku ostal primanjkljaj kisika in molibdena. To stanje je lahko negativno vplivalo na razvoj zgodnjih evkariontov, naših enoceličnih prednikov. Zapis o molibdenu nam tudi pove, da je bil globok ocean že pred približno 550 milijoni let popolnoma nasičen s kisikom."
Po Scottovih besedah čas korakov oksigenacije nakazuje, da so pomembni dogodki v zgodovini Zemlje povezani. Znanstveniki že dolgo domnevajo, da je bil razvoj prvih živali nekako povezan s tako imenovano hipotezo o Zemlji snežne kepe, ki pravi, da je bila Zemlja od pola do pola pokrita z debelo ploščo ledu milijone let hkrati."Drugi korak oksigenacije se je zgodil kmalu po tem, ko se je zadnja epizoda Snowball Earth končala pred približno 600 milijoni let," je dejal Scott. "Torej eno vprašanje je: ali je ta globalna poledenitev igrala vlogo pri vse večjem številu kisika, kar je posledično omogočilo razvoj živali?"
Rezultati študije so objavljeni v številki Nature 27. marca.
Scottu in Lyonu se je v raziskavi pridružil A. Bekker z inštituta Carnegie v Washingtonu, DC; Y. Shen z Université du Québec à Montréal, Kanada; S. W. Poulton z univerze Newcastle, Newcastle upon Tyne, Združeno kraljestvo; X. Chu s Kitajske akademije znanosti, Peking, Kitajska; in A. D. Anbar z univerze Arizona State, Tempe, Ariz.
Raziskava je bila podprta z štipendijami ameriške nacionalne znanstvene fundacije, oddelka za znanosti o Zemlji in NASA Astrobiology Institute.
Več o molibdenu kot posredniku za oceansko kemijo
Molibden, kovine, ki je danes v oceanu veliko, včasih pa manj, je odličen sledilec starodavne kemije iz dveh razlogov. Prvič, primarni vir molibdena za ocean je oksidativno preperevanje celinske skorje, ki zahteva kisik v atmosferi. Drugič, molibden se odstrani predvsem v morskih usedlinah, kjer ni kisika in je veliko sulfidov. Tako obogatitev molibdena v starodavnih organsko bogatih skrilavcih zahteva kisik v atmosferi, vendar veliko žvepla in zelo malo ali nič kisika v globokem oceanu. Ta kombinacija je danes razmeroma redka, vendar je bila morda pogosta, ko je bilo kisika v prejšnji atmosferi manj.
Ko je kisik na voljo v ozračju, je količina raztopljenega molibdena v morski vodi določena z obsegom usedlin, ki vsebujejo vodikov sulfid, in dna vode (hladnejša, bolj izolirana, najnižja plast oceanske vode). Kjer so sulfidna okolja zelo razširjena, je količina molibdena, ki ostane v morski vodi, majhna in raste, ko se sulfidna okolja krčijo. Količina molibdena v morski vodi se odraža v obsegu obogatitve molibdena v skrilavcih, odloženih v globokem oceanu.
Ekipa raziskovalcev pod vodstvom UCR je na podlagi koncentracije molibdena v starodavnih črnih skrilavcih ocenila velikost oceanskega rezervoarja in s tem obseg sulfidnih talnih voda in sedimentov. To so storili tako, da so vzorce raztopili v koktajlu kislin in analizirali raztopljeno kamnino za koncentracijo z masnim spektrometrom. Količina te kovine v skrilavcih spremlja stanje kisika v zgodnjem oceanu in atmosferi ter kaže tudi na različno številčnost te bistvene sestavine življenja. Omejitve molibdena so morda upočasnile razvoj evkariontov, vključno s prvimi živalmi, našimi najzgodnejšimi večceličnimi bratranci.
