что такое строматолиты и какова их роль
Строматолиты, когда и как они возникли, значение
строматолиты они представляют собой микробные рифы, образованные активностью цианобактерий (или сине-зеленых водорослей), которые являются бактериями, способными к фотосинтезу. Слово строматолит происходит от греческого языка и означает «слоистый камень».
Строматолитовые отложения образуются в результате связывания и улавливания морских отложений, а также в результате деятельности по минеральной фиксации микробных сообществ. Живые бактерии обнаружены в поверхностном слое строматолита.
Вместо этого подстилающими слоями являются скопления морских отложений, смешанных с веществами, выделяемыми бактериями, и минералами. Эта модель роста создает своего рода ископаемую летопись. Эти отложения накапливаются очень медленно: структура 1 м может быть от 2000 до 3000 лет.
Тем не менее, крошечные микробы, которые составляют современные строматолиты, похожи на те, которые существовали 3500 миллионов лет назад.
Строматолиты были необходимы для создания жизни организмов, которые возникли позднее в эволюционное время, включая людей (виды: Homo sapiens).
Когда и как они возникли?
Окаменелость, созданная цианобактериями в строматолитах Австралии, позволяет предположить, что они возникли 3,5 миллиарда лет назад. Это само по себе замечательно, но даже больше, если принять во внимание, что самым древним камням, которые были датированы, 3800 миллионов лет.
Эти скальные структуры, столь характерные для строматолитов, возникли в результате нескольких процессов, осуществляемых цианобактериями, в том числе фотосинтеза. Механизм фотосинтеза жизненно важен для роста цианобактерий..
По мере роста цианобактерий они потребляют углекислый газ, который присутствует в окружающей воде. Это вызывает ряд метаболических реакций, которые способствуют образованию карбоната кальция, который осаждается и затвердевает, образуя «скальные» структуры.
Этот процесс является предпочтительным, потому что цианобактерии производят некоторые липкие вещества, которые помогают захватывать карбонат кальция и другие минералы.
Эти минералы образуют корку над цианобактериями, которые продолжают расти вокруг и через хрустящий слой.
Повторение этого процесса неоднократно формирует один слой за другим, пока классическая грибная форма строматолита не выйдет из воды. Таким образом, остатки этих цианобактерий создали самые старые окаменелости на Земле.
Почему они важны?
Строматолиты считаются важными по нескольким причинам:
Они являются основными производителями кислорода на Земле
До появления цианобактерий в воздухе было только 1% кислорода. Затем в течение 2000 миллионов лет фотосинтетические строматолиты перекачивали кислород, полученный в результате фотосинтеза, в океаны. Они были чем-то вроде подводных деревьев, до того, как появились земные деревья.
Когда воды океанов были насыщены, кислород выделялся в воздух, а когда уровень этого элемента поднялся примерно до 20% в воздухе, жизнь многих различных организмов сумела процветать и развиваться..
Они являются ископаемым свидетельством древнейших организмов на планете
Эту запись можно наблюдать с первого взгляда, а в некоторых случаях с помощью микроскопа. Затвердевание и поддержание слоев в течение стольких миллионов лет делает их свидетельством древности первых форм жизни на Земле..
Они являются организмами, которые поддерживают свою эволюционную линию
Успех в размножении и развитии строматолитов позволил этим организмам пережить изменяющиеся условия Земли в течение миллиардов лет.
Эта эффективность в адаптивных механизмах, которые позволили им выжить с момента их возникновения, около 3500 миллионов лет назад, дает им свойство сохранять свою эволюционную линию с момента ее появления..
Участвовать в древних биогеохимических циклах
Поскольку микроорганизмы, которые образуют строматолиты, перерабатывают элементы в естественной среде, они поглощают и производят молекулы, которые являются частью биогеохимических циклов..
Углеродный цикл очень важен в атмосферных процессах, а также уровень углекислого газа (СО)2) и образование определенных карбонатов и биомолекул. Он также участвует в климатических процессах, таких как парниковый эффект.
Атомы углерода постоянно перерабатываются на планете. Часто углерод входит в цикл, фиксируя его в молекулах соли, таких как карбонат кальция (CaCO)3). Это основное соединение, осаждаемое цианобактериями строматолитов..
Строматолиты в Мексике
Строматолиты растут только в определенных частях света. В Мексике их можно найти только в заповеднике Куатроченагас на Коауиле и в лагуне семи цветов в Бакаларе.
В Бакаларской лагуне строматолиты являются главной туристической достопримечательностью и расположены вдоль семи километров в городе, известном как Лос-Рапидос..
Специалисты Автономного университета Мексики представили перед властями исследование, в котором выявлено ухудшение, вызванное строматолитами в лагуне семи цветов..
Вышесказанное представляет собой ущерб для окружающей среды лагуны, потому что строматолиты выполняют роль рифов и потому что они являются основными производителями кислорода в регионе..
В некоторых районах лагуны ущерб уже отражен. Это способствовало созданию комитета среди участвующих муниципальных органов власти, где был достигнут ряд соглашений, направленных на сохранение этих организмов, поскольку они имеют огромное значение в качестве первого доказательства жизни на Земле..
Строматолиты в остальном мире
Помимо Мексики, есть очень мало мест, где вы можете найти эти строматолиты, такие как Бухта Акулы в Австралии, остров Андрос на Багамах и Персидский залив, где находятся самые старые образования..
Строматолиты также можно увидеть в Красном море на западном побережье Австралии, в озере Салгада в Рио-де-Жанейро, в солончаках северной части Чили и в Сан-Хуан-де-Маркона в Перу..
Строматолиты
Строматолиты — ископаемые остатки цианобактериальных матов. Строматолит — ископаемое карбонатное (чаще известковое или доломитовое) стяжение, образовавшееся на дне мелководного водоема.
Содержание
Название
Название произошло от сочетания греческих слов στρῶμα «подстилка» и λίθος «камень», буквально: каменная подстилка, каменная прослойка.
История изучения
На ранних стадиях изучения строматолиты ассоциировались с остатками многоклеточных эукариот — губками, кораллами или мхами. По степени сложности они более всего напоминали исследователям скелеты многоклеточных эукариот. Позже к числу возможных строматолитообразователей были отнесены миксомицеты. Дальнейшее изучение строматолитов позволило однозначно связать их образование с жизнедеятельностью колоний нитчатых цианобактерий. Это было показано в результате обнаружения остатков нитей в ископаемых строматолитах и подтверждено исследованиями их современных аналогов. Таким образом, принципиально изменилось представление о строматолитообразователях, и возникновение постройки связывалось уже не с жизнедеятельностью отдельного организма, а с жизнедеятельностью колонии. Примерно в начале 30-х годов XX века в разных странах началось геологическое изучение строматолитов, что позволило отечественному исследователю Н. Н. Дингельштедту в 1935 г. впервые сопоставить уральские строматолиты с аналогичными постройками из докембрийских толщ Америки и Китая. Им была высказана надежда на дальнейшее успешное использование строматолитов в стратиграфии. При последующем изучении закономерности распределения строматолитов в разрезах оказались теми же, что и у фанерозойских скелетных остатков эукариотических организмов.
Классификация
Разные авторы предлагают различные типы классификаций строматолитовых образований. Так, Конюшков и Пиа рассматривали строматолиты в ранге типа, понизив в ранге следующую категорию, включающую три таксона: столбчатые, пластовые и желваковые строматолиты.
В настоящее время выделяются многочисленные переходные формы (например, столбчато-пластовые). Для этих таксонов предлагаются латинские названия в рамках ботанической номенклатуры.
В классификации Раабен (1986) надродовым таксонам присвоены латинизированные наименования, как правило, производные от характерного рода с добавлением окончаний. Таксон наивысшего ранга — строматолиты (без статуса) делится на пять типов: столбчатые (включая столбчато-пластовые), пластовые, желваковые, столбчато-желваковые и микростроматиты. Первые четыре выделены по форме построек, а пятый — по величине построек и включает в себя все вышеперечисленные морфотипы, с ограничением в размере (до первых десятков сантиметров).
Хофманн (Hofmann, 1986) классифицировал строматолиты по размерам построек. Он выделяет следующие категории:
Китайские исследователи на основании изучения 50 родов строматолитов из протерозойских отложений Китая предложили свою классификацию, включающую шесть рангов таксонов (Liang et al., 1985). Наивысший ранг — надтип, куда относятся три таксона — столбчатые, пластовые и столбчато-пластовые постройки. Каждый надтип объединяет два типа, выделенные по размерам построек — малый и большой. В типе малых столбчато-пластовых построек выделяются два подтипа — с явной синхронностью роста и без таковой. Далее выделяются 13 семейств с латинизированными названиями, производными от характерных родов с окончаниями, соответствующими Международному кодексу ботанической номенклатуры. В семейства объединены 50 родов, описанных в Китае. Низшей таксономической категорией является вид. Приведены характерные признаки для выделения вида, рода и семейства.
Ридинг (Riding, 1991) предложил классификацию бентосных микробиальных карбонатных отложений по их происхождению. В формировании этих отложений участвовали три группы организмов: бактерии, цианобактерии и водоросли в сочетании с тремя процессами:
На этом основании представлена следующая классификация:
По мнению автора, только агглютинированные строматолиты образуются преимущественно за счёт захватывания частиц осадка. Формирование скелетных строматолитов, дендролитов и тромболитов происходит главным образом за счёт биоминерализации. А процесс поверхностной минерализации доминирует при образовании туфа-строматолитов, субаэральных строматолитов и травертин.
В качестве категории наивысшего ранга предлагается отдел — литофита, состоящий из двух подотделов: строматолитофитина (прикреплённые к субстрату постройки) и онколитофитина (неприкреплённые к субстрату постройки).
Подотдел строматолитофитина делится на пять классов: стириолиты, родолиты, строматолиты, микростроматиты, тромболиты.
Класс строматолиты
В этот класс объединены постройки первично-карбонатного состава.
По морфологии построек класс делится на четыре порядка: пластовые, желваковые, столбчатые и брусковые.
К традиционно выделяемым первым трём добавлены брусковые — вытянутость по длинной оси сопоставима с высотой постройки.
Столбчатые строматолиты делятся на два подпорядка — ветвящиеся (включающий 2 семейства: пассивно — и активно-ветвящиеся) и неветвящиеся (с единственным семейством колонковых).
В качестве примера пассивноветвящихся можно привести род Kussiella Kryl., 1963. Активноветвящиеся делятся на три подсемейства: якутиды (род Jakutophyton Schap., 1965); гимносолениды (род Gymnosolen Steinm., 1911); тунгуссиды (род Tungussia Semikh., 1962). Примером неветвящихся является род Colonnella (Komar, 1964).
Класс стириолиты
Постройки первичнокремнистого состава, термин предложен М. Уолтером, изучавшим оригинальные существенно кремнистые постройки, морфологически сходные со строматолитами и приуроченные к зоне действия горячих источников (Walter, 1976; 1996). Им описаны первичнокремнистые водорослево-бактериальные постройки в термальных источниках и гейзерах Йеллоустоуновского национального парка штата Вайоминг, США (Walter et al., 1972; Walter, 1977). Примером первичнокремнистых фитогенных построек являются находки в гейзеритах Камчатки (Макарихин, 1985). В качестве ископаемых аналогов стириолитов можно указать фитогенные постройки из раннепротерозойской свиты Ганфлинт в провинции Онтарио, Канада, которые морфологически и микроструктурно весьма схожи со стириолитами Йеллоустоуна (Walter, 1972). Примером может служить Gruneria biwabikia Cloud et Semikh., 1969, описанная из железорудных свит Бивабик и Ганфлинт Канадского щита и кремнистых пород вулканогенной свиты Маунт Джоп Западной Австралии (Cloud & Semikhatov, 1969), а также разнообразные кремнистые фитолиты свиты Ганфлинт, содержащие многочисленные остатки микроорганизмов (Hofmann, 1969; Awramik & Semikhatov, 1979). В Китае из протерозойской свиты Умишань (район г. Пекина) описаны кремнистые микроколонковые и пластовые постройки, содержащие нитчатые и сферические микрофоссилии (Cao Ruiji, 1991). Кремнистые фитолиты обнаружены и на Балтийском щите, в частности, в верхах вашозерской свиты Карелии (Медведев, 1991; Куршева и др., 1993).
Класс родолиты
В этот класс объединены современные нелитифицированные постройки, морфология и текстура которых сходна с ископаемыми. Сам термин «родолиты» предложен для обозначения современных строматолитоподобных образований, сформированных цианобактериальными сообществами в гиперсолёных или пресноводных экосистемах (Заварзин, 1984; Boselini & Ginsburg, 1971; Hypersaline Ecosystems, 1985; Stromatolites, 1976).
Класс микростроматолиты
Первой выделила постройки максимальных размеров до первых см по высоте в отдельный таксон М. Е. Раабен (1980; 1991; 1998). В микростроматиты включены две категории: миниколумеллы (колонковые) и министромиды (слоисто-желвачковые).
Класс тромболиты
Внешне сходные со строматолитами, но лишённые отчётливой слоистости постройки (Aitken,1967; Schmitt & Moninger, 1977).
Стратиграфия
Как объекты палеонтологии, строматолиты были выделены благодаря устойчивости и повторяемости их морфологических признаков. Известны с протерозоя, особенно обильны от докембрия до ордовика. Строматолиты широко используются при расчленении и корреляции (в том числе межконтинентальной) верхнепротерозойских образований. В ископаемом состоянии чаще всего встречаются постройки, сформированные в зоне накопления относительно мелководных морских отложений существенно карбонатного состава, причем большая часть таких построек несомненно испытывала влияние приливно-отливных течений.
Образование
Формируются в опреснённых или засолонённых зонах или в зонах с периодической сменой пресной и солёной воды. Образователями строматолитов являются цианобактерии и другие виды бактерий; в постройке некоторых из них принимают участие и эукариотические водоросли.
Значение и применение
Отличается высокими декоративными свойствами. Материал хорошо полируется. Широко используется, как поделочный камень для изготовления подсвечников и декоративных шаров. Кроме этого, образцы строматолитов могут быть включены в минералогическую или палеонтологическую коллекцию. Отполированные образцы демонстрируют слоистую текстуру камня, составленного более широкими и тончайшими полосками коричневого, серого, красноватого и дымчатого цвета.
Фотографирование и описание образцов
Желательно сделать серию фотографий с последовательным увеличением. Первая фотография серии должна иллюстрировать обнажения, следующие — демонстрировать отдельные столбики, детали столбиков (ветвление), детали бокового ограничения построек. Можно дополнить серию фотографией полированного образца. Мелкие детали строматолитовых наслоений фотографируются в шлифах и прозрачных плёнках под микроскопом. Каждая фотография должна быть снабжена масштабным отрезком.
Описание строматолитов также может нести существенную таксономическую информацию, важную для специалистов. Общий план описания строматолитов (на примере столбчатых построек):
Найдены строматолиты возрастом 3,7 млрд лет — древнейшие следы жизни на Земле
Вид на гору Исуа. Эта гора высотой 1240 м покрыта ледником, таяние которого обнажило полосчатые железистые кварциты возрастом 3,7 млрд лет. Фото из статьи S. Moorbath, 2009. The discovery of the Earth’s oldest rocks
Австралийские ученые вместе с коллегой из Англии, продолжив свои многолетние исследования осадочных пород зеленокаменного пояса Исуа в Гренландии, нашли недостающее доказательство существования древнейшей микробной жизни. В новом местонахождении, открывшемся на месте растаявшего ледника, они обнаружили слоистые структуры, по форме и элементному составу сходные с известными строматолитовыми постройками архея. Их возраст составляет 3,7 млрд лет, и это самые древние из известных на сегодня свидетельств жизни.
Новое сообщение о древнейших следах земной жизни опубликовали в свежем выпуске журнала Nature специалисты из нескольких университетов Австралии вместе с геологом из Оксфорда Кларком Френдом (Clark R. L. Friend). Продолжив свои многолетние исследования зеленокаменных пород формации Исуа (см. Isua Greenstone Belt) в Гренландии, ученые нашли недостающее доказательство существования микробной жизни в архейском море Исуа. Формация Исуа в Гренландии хорошо знакома всем, кто интересуется проблемами становления земной жизни.
Ранние следы жизни следует искать в осадочных породах, ведь в вулканических или метаморфических породах органическое вещество в принципе не сохраняется. Проблема в том, что сами осадочные породы, оставшиеся в неизменном состоянии с древнейших времен, должны быть чрезвычайно редки. Обычно они погребены под последующими наслоениями осадков или в ходе субдукции геологических блоков погружаются вглубь коры и мантии, подвергаясь действию высоких давлений и температур, из-за чего начинаются химические реакции и изменяются первичные характеристики исходных пород. Так что от тех древнейших времен до нас доходят — увы — материалы, сильно переработанные и химически, и структурно. Реконструировать их первоначальный вещественный состав весьма непросто, если вообще возможно. Но всё же вероятность сохранения малоизмененных пород не равна нулю, и на Земле есть несколько мест, где такие исходные осадочные породы сохранились. Среди них — как раз формация Исуа, самые старые породы которой имеют возраст 3,8–3,7 млрд лет, и, например, группа Пилбара в Австралии возрастом 3,5–3,4 млрд лет и моложе. В этих местах (и в некоторых других — например, в Южной Африке), ученые ведут поиск самых древних следов жизни. Формация Исуа во главе этой эстафеты, ведь именно там сохранились самые древние почти не измененные осадочные породы.
Какие в принципе нужны основания для заявлений вроде «здесь была жизнь»? Во-первых, должны присутствовать осадочные прослои, которые к тому же сформированы при сравнительно низких температурах и давлениях, и для которых можно надежно определить абсолютный возраст. Во-вторых, может выявиться фракционирование изотопов углерода и серы, то есть элементов, вовлеченных в любую биологическую жизнедеятельность. В-третьих, могут найтись минералы, образованные с микробным участием. В-четвертых, интересно резкое увеличение количества некоторых элементов, ассоциированных с микробной деятельностью. В-пятых, могут присутствовать образования, внешне напоминающие биологические объекты. Обнаружив хотя бы одно из этих проявлений (а еще лучше, если сразу несколько!), специалист имеет право предполагать наличие жизни.
С 1996 года, когда в осадочных графитовых зернах из апатитов Исуа были найдены следы фракционирования изотопов углерода, утвердилось мнение, что именно это и есть древнейшее свидетельство земной жизни. Позже заключения по изотопному фракционированию углерода в Исуа были подвергнуты критике, так как те графитовые зерна имеют широкий диапазон изотопного состава, а сами минералы, которые послужили материалом для исследования, по всей видимости, не осадочного происхождения (J. S. Mayers, 2001. Protoliths of the 3.8–3.7 Ga Isua greenstone belt, West Greenland). В результате принятые датировки видимых свидетельств жизни «омолодились» на сотни миллионов лет. Древнейшими безоговорочными свидетельствами жизни были признаны микрофоссилии формации Онвервахт (Onverwacht, ЮАР, возраст 3,5 млрд лет), формации Варравуна (Warrawoona, Западная Австралия, 3,5–3,3 млрд лет), а также разнообразная микробиота формации Дрессер (Dresser, Западная Австралия, 3,48 млрд лет).
Так выглядят древнейшие строматолиты — наслоения бактериальных матов, в которых органические слои (сами маты) чередуются с неорганическими (осадками). На этих фотографиях строматолиты возрастом 3,48 млрд лет из формации Дрессер в Западной Австралии. Постройки имеют остро-коническую форму (слева) или форму пологого колокола или купола (справа). Фотографии из статьи M. J. Van Kranendonk et al., 2011. Morphology as an Indictor of Biogenicity for 3.5–3.2 Ga Fossil Stromatolites from the Pilbara Craton, Western Australia
Нужно подчеркнуть, что исследователи формации Исуа не останавливали свои исследования, и несмотря на многолетний скепсис продолжали искать в древнейших породах Гренландии остатки жизни. Тщательное определение возраста цирконов в различных стратиграфически последовательных блоках формации убедительно показало возраст 3,71–3,69 млрд лет. Затем команда австралийцев (среди них и авторы новой публикации) опубликовала новые доказательства осадочного происхождения некоторых пород Исуа — потребовалось детальное картирование для нахождения источника осадков.
Вскоре нашлись и свидетельства низкотемпературной переработки минералов, слагающих эти осадочные породы. Слои доломита и кварца при температурах выше 550 о С преобразуются в тремолит, а тут тремолит вовсе не доминировал в прослоях. Это означало, что температура соответствовала условиям сохранения исходных пород. Были измерены элементные спектры осадочных слоев. И в них, как это характерно и для осадков современных и древних морских мелководий, было повышено содержание иттрия и лантана. Значит, в этом месте была морская вода, а не суша и не пресные лужи.
Таким образом, потребовалось около десятка лет, чтобы с фактами отстоять осадочную природу некоторых участков зеленокаменного пояса Исуа (Isua Greenstone Belt). Можно было снова переходить к поиску следов жизни в этом облюбованном и «выстраданном» месте. В этом ключе было выдвинуто не лишенное смысла предположение, что доломит, слагающий осадочные слои Исуа, может быть биологического происхождения (к данным по фракционированию углерода для доказательства жизни, кстати, так и не возвратились). Происхождение доломитов при относительно низких температурах не имеет четкого химического объяснения, и одной из обоснованных гипотез служит бактериально опосредованное его формирование. Так что ученые заключили, что раз имеется такой доломит, то, возможно, жизнь сыграла здесь не последнюю роль.
Геолог Кларк Френд, признанный знаток архейских пород Гренландии, разглядывает обнаруженные слоистые структуры: охристые слои сложены доломитом, светлые — кварцитом и доломитом. Стрелка указывает на неровности доломитового слоя — строматолиты. Фото из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Nature
Однако все эти обстоятельства слишком косвенные, поэтому во всех своих публикациях ученые говорили лишь о подходящих условиях для жизни и о ее возможном присутствии. И вот, при обследовании выхода пород, недавно открывшихся из-под растаявшего ледника, были найдены слоистые структуры: доломит и кварцитового доломита. И по границам некоторых доломитовых слоев выявились четкие гетерогенные неровности. Они имели волнообразную или конусовидную асимметричную формы, чрезвычайно похожие на те строматолитовые постройки, которыми знаменита формация Дрессер и другие палеоархейские микробиальные образования.
а — форма прослоев в образце из нового местонахождения Исуа. b — прорисовка этих слоев с обозначениями: strom — отдельный строматолит, stroms — наложенные друг на друга строматолиты с видимыми слоистыми поверхностями, голубой пунктир — доломитовые участки, красный пунктир — направление залегания кварцито-доломитов, зеленый пунктир — косая слоистость, появившаяся в результате слабой тектонической деформации. с и d — строматолиты из местонахождения Wooly Dolomite в Западной Австралии возрастом 2,7–2,4 млрд лет имеют похожую форму асимметричных конусов или куполов. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Из-за схожести по форме и слоистости с безусловными строматолитами более молодого возраста эти структуры также были признаны строматолитами. А с учетом доказанной осадочной природы вмещающих пород и низкой температуры при их дальнейшей трансформации, они получают надежное фактологическое обоснование. Таким образом, мы теперь можем снова вернуть формации Исуа переходящий вымпел древнейших осадочных пород со следами жизни — их возраст 3,7 млрд лет.
Спектры редких элементов в древнейших строматолитах Дрессер (желтая линия) и Исуа (голубая и красная линии — строматолит, черная — кварцито-доломитовый осадок). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Стоит, однако, при этом не забывать, что данная работа — всего лишь начало нового витка исследований ископаемой жизни в этих интереснейших местонахождениях. Сомнения и вопросы относительно биологической природы строматолитоподобных образований в Исуа у специалистов наверняка скоро появятся. Например, в этих образованиях пока не обнаружено определенных следов фракционирования изотопов углерода. Наверное, нужны дополнительные измерения по другим образцам. Также, в этих образованиях, в отличие от строматолитов формации Дрессер, пик иттрия существенно ниже — хорошо бы понять причину отклонения. Наиболее придирчиво скептики отнесутся к обсуждению доказательств низкотемпературной природы минералов, слагающих слоистые структуры. Но им нужно будет теперь учитывать существенно более тщательно проработанный и богатый материал, чем раньше.
Источник: Allen P. Nutman, Vickie C. Bennett, Clark R. L. Friend, Martin J. Van Kranendonk & Allan R. Chivas. Rapid emergence of life shown by discovery of 3,700-million-year-old microbial structures // Nature. 2016. DOI: 10.1038/nature19355.