Jak mikroorganizmy utworzyły skorupę ziemską

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Szczególnie imponująco wyglądają góry na tle bezkresnego mongolskiego stepu. Stojąc u podnóża, kusi nas, by zastanowić się nad kolosalną mocą wnętrzności ziemi, które spiętrzyły te grzbiety. Ale już w drodze na szczyt zwraca uwagę cienki wzór pokrywający półki skalne. Ta woda deszczowa lekko skorodowała porowate szkielety pradawnych gąbek archeocyatowych, z których składała się góra, prawdziwych budowniczych pasma górskiego.

Mali giganci wielkiej konstrukcji

Kiedyś, ponad pół miliarda lat temu, wynurzyły się z dna ciepłego morza jako jasna rafa wulkanicznej wyspy. Zmarł, pokryty grubą warstwą gorącego popiołu – niektóre archeocyjany uległy nawet spaleniu, a w zamarzniętym tufie zachowały się ubytki.

Jednak wiele szkieletów, które przez całe życie zrosły się razem i „przymarzły” do skały przez nawijanie warstw cementu morskiego, pozostają na swoim zwykłym miejscu nawet dzisiaj, kiedy morze już dawno nie było. Każdy taki szkielet jest mniejszy niż mały palec. Ilu tam jest?

Szkielety maleńkich radiolarian tworzą krzemionkowe skały pasm górskich.

Szacując objętość niskiej góry (około kilometra szerokości u podnóża i około 300 m wysokości), można obliczyć, że w jej budowie wzięło udział około 30 miliardów gąbek. Jest to rażąco niedoceniana liczba: wiele szkieletów od dawna jest wcieranych w proszek, inne całkowicie się rozpuściły, nie mając czasu na pokrycie ochronnymi warstwami osadu. A to tylko jedna góra, a na zachodzie Mongolii znajdują się całe pasma.

Jak długo zajęło małym gąbkom wykonanie tak imponującego „projektu”?

A oto kolejny klif w pobliżu, mniejszy i nie biały, wapienny, ale czerwonawo-szary. Tworzą go cienkie warstwy łupków krzemionkowych, zardzewiałych na skutek utleniania się wtrąceń żelaza. Kiedyś te góry były dnem morskim i jeśli poprawnie rozszczepiłeś się wzdłuż warstw (uderz mocno, ale ostrożnie), to na powierzchni, która się otwiera, możesz zobaczyć miriady igieł i krzyżyków 3-5 mm.

Są to szczątki gąbek morskich, ale w przeciwieństwie do całego szkieletu wapiennego archeocyjanów, ich podstawę tworzą oddzielne elementy krzemowe (kolce). Dlatego po śmierci rozpadli się, porozrzucali dno swoimi „szczegółami”.

Szkielet każdej gąbki składał się z co najmniej tysiąca „igieł”, na każdym metrze kwadratowym rozrzuconych jest około 100 tys. co najmniej 200 x 200 m: 800 miliardów. A to tylko jedna z wysokości wokół nas - i tylko kilka przybliżonych obliczeń. Ale już z nich widać, że im mniejsze organizmy, tym większa ich moc twórcza: główni budowniczowie Ziemi są jednokomórkowi.

Ażurowe płytki wapienne jednokomórkowych alg planktonowych - kokolitów - łączą się w duże kokosfery, a gdy się kruszą, zamieniają się w osady kredowe.

Na lądzie, w wodzie i w powietrzu

Wiadomo, że co 1 cm³Kreda do pisania zawiera około 10 miliardów drobnych wapiennych łusek planktonowych kokolitoforydów alg. Znacznie później niż czasy mórz mongolskich, w erze mezozoicznej i obecnej kenozoiku, wznieśli kredowe klify Anglii, Wołgę Zhiguli i inne masywy, pokrywające dno wszystkich współczesnych oceanów.

Skala ich działalności budowlanej jest niesamowita. Ale bledną w porównaniu z innymi przemianami, jakich dokonało jej własne życie na planecie.

O słonym smaku mórz i oceanów decyduje obecność chloru i sodu. Żaden z pierwiastków nie jest wymagany przez stworzenia morskie w dużych ilościach i gromadzą się w roztworze wodnym. Ale prawie wszystko inne – wszystko, co unoszą rzeki i wychodzi z jelit przez gorące źródła dolne – jest wchłaniane w jednej chwili. Krzem jest pobierany na ich ozdobne muszle przez jednokomórkowe okrzemki i radiolarian.

Prawie wszystkie organizmy potrzebują fosforu, wapnia i oczywiście węgla. Co ciekawe, tworzenie szkieletu wapiennego (podobnie jak u koralowców czy pradawnych archeocyjanów) następuje wraz z uwolnieniem dwutlenku węgla, więc efekt cieplarniany jest produktem ubocznym budowy raf.

Coccolithophorides absorbują nie tylko wapń z wody, ale także rozpuszczoną siarkę. Jest niezbędny do syntezy związków organicznych, które zwiększają wyporność glonów i pozwalają im przebywać blisko oświetlonej powierzchni.

Kiedy te komórki obumierają, substancje organiczne rozpadają się, a lotne związki siarki odparowują wraz z wodą, służąc jako nasiono do tworzenia chmur. Litr wody morskiej może zawierać do 200 milionów kokolitoforów, a każdego roku te jednokomórkowe organizmy dostarczają do atmosfery nawet 15,5 miliona ton siarki – prawie dwa razy więcej niż wulkany lądowe.

Słońce jest w stanie oddać Ziemi 100 milionów razy więcej energii niż własne jelita planety (3400 W/m²)² w stosunku do 0,00009 W/m²²). Dzięki fotosyntezie życie może wykorzystać te zasoby, zyskując moc przekraczającą możliwości procesów geologicznych. Oczywiście większość ciepła słonecznego jest po prostu rozpraszana. Ale mimo wszystko przepływ energii wytwarzanej przez żywe organizmy jest 30 razy większy niż przepływ geologiczny. Życie kontrolowało planetę przez co najmniej 4 miliardy lat.

Złoto rodzime czasami tworzy dziwaczne kryształy, które są cenniejsze niż sam metal szlachetny.

Siły światła, siły ciemności

Bez żywych organizmów wiele skał osadowych w ogóle by nie powstało. Mineralog Robert Hazen, porównując różnorodność minerałów na Księżycu (150 gatunków), Marsie (500) i naszej planecie (ponad 5000), doszedł do wniosku, że pojawienie się tysięcy minerałów lądowych jest bezpośrednio lub pośrednio związane z aktywnością jego biosfera. Skały osadowe nagromadziły się na dnie zbiorników wodnych.

Zapadające się w głąb, przez miliony i setki milionów lat, szczątki organizmów utworzyły potężne osady, które pozostały do wycisnąć na powierzchnię w postaci łańcuchów górskich. Wynika to z ruchu i zderzenia ogromnych płyt tektonicznych. Ale sama tektonika nie byłaby możliwa bez podziału skał na rodzaj „ciemnej” i „jasnej materii”.

Pierwszą reprezentują np. bazalty, w których dominują minerały o ciemnych tonach – pirokseny, oliwiny, podstawowe plagioklazy, a wśród pierwiastków – magnez i żelazo. Te ostatnie, jak np. granity, zbudowane są z minerałów o jasnej barwie – kwarcu, skaleni potasowych, plagioklazów albitowych, bogatych w żelazo, aluminium i krzem.

Ciemne skały są gęstsze niż jasne skały (średnio 2,9 g/cm³ przeciw 2,5-2,7 g/cm³) i tworzą płyty oceaniczne. Zderzając się z mniej gęstymi, „lekkimi” płytami kontynentalnymi, oceaniczne zapadają się pod nimi i topią się we wnętrzu planety.

Jasne pasma rud żelaza odzwierciedlają sezonowe zmiany ciemnych warstw krzemionkowych i czerwonych żelazistych warstw.

Najstarsze minerały wskazują, że jako pierwsza pojawiła się „ciemna materia”. Jednak te gęste skały nie mogły zatopić się w sobie, aby wprawić płyty w ruch. Wymagało to „jasnej strony” – minerałów, których brakuje w nieruchomej skorupie Marsa i Księżyca.

Nie bez powodu Robert Hazen uważa, że to żywe organizmy Ziemi, przekształcające jedne skały w inne, doprowadziły ostatecznie do nagromadzenia „lekkiej materii” płyt. Oczywiście te stworzenia - w większości jednokomórkowe promieniowce i inne bakterie - nie postawiły sobie tak super zadania. Ich celem, jak zawsze, było znalezienie pożywienia.

Metalurgia żelaza w oceanach

W rzeczywistości, bazaltowe szkło wyrzucone przez wulkan zawiera 17% żelaza, a każdy jego metr sześcienny jest w stanie wyżywić 25 biliardów bakterii żelaza. Istniejące co najmniej 1,9 miliarda lat umiejętnie przekształcają bazalt w „nanoszet” wypełniony nowymi minerałami ilastymi (w ostatnich latach taki mechanizm został uznany za biogeniczną fabrykę minerałów ilastych). Kiedy taka skała jest wysyłana do jelit w celu stopienia, powstają z niej nowe, „lekkie” minerały.

Prawdopodobnie produkt bakterii i rud żelaza. Ponad połowa z nich powstała między 2, 6 a 1,85 miliarda lat temu, a sama anomalia magnetyczna Kurska zawiera około 55 miliardów ton żelaza. Bez życia z trudem mogłyby się gromadzić: do utleniania i wytrącania żelaza rozpuszczonego w oceanie potrzebny jest wolny tlen, którego pojawienie się w wymaganych ilościach jest możliwe tylko dzięki fotosyntezie.

Bakterie Acidovorax stymulują powstawanie zielonej rdzy – wodorotlenku żelaza.

Życie jest w stanie przeprowadzić „obróbkę” żelaza i w ciemnych, pozbawionych tlenu głębinach. Atomy tego metalu, unoszone przez podwodne źródła, są wychwytywane przez bakterie zdolne do utleniania żelaza w żelazo żelazowe, które osadza się na dnie z zieloną rdzą.

Kilka miliardów lat temu, kiedy na planecie było jeszcze bardzo mało tlenu, zdarzyło się to wszędzie, a dziś aktywność tych bakterii można zaobserwować w niektórych ubogich w tlen zbiornikach wodnych.

Drogocenne drobnoustroje

Możliwe, że duże złoża złota nie powstałyby bez udziału bakterii beztlenowych, które nie potrzebują tlenu. Główne złoża tego szlachetnego metalu (m.in. w Witwatersrand w południowej Afryce, gdzie eksplorowane złoża wynoszą około 81 tysięcy ton) powstały 3, 8-2,5 miliarda lat temu.

Tradycyjnie uważano, że tutejsze rudy złota powstają w wyniku przenoszenia i płukania cząsteczek złota przez rzeki. Jednak badanie złota Witwatersrand ujawnia zupełnie inny obraz: metal został „wydobyty” przez starożytne bakterie.

Dieter Halbauer opisał dziwne słupy węglowe otoczone cząsteczkami czystego złota w 1978 roku. Przez długi czas jego odkrycie nie wzbudzało większego zainteresowania, dopóki analiza mikroskopowa i izotopowa próbek rudy, modelowanie formowania się rudy przez kolonie współczesnych drobnoustrojów i inne obliczenia nie potwierdziły poprawności geologa.

Podobno około 2,6 miliarda lat temu, kiedy wulkany nasycały atmosferę siarkowodorem, kwasem siarkowym i dwutlenkiem siarki parą wodną, kwaśne deszcze zmywały skały zawierające rozproszone złoto i przenosiły roztwory do płytkiej wody. Jednak sam metal szlachetny trafił tam w postaci związków najniebezpieczniejszych dla wszelkich żywych stworzeń, takich jak cyjanek.

Aby zapobiec zagrożeniu, drobnoustroje „zdezynfekowały” wodę, redukując toksyczne sole złota do kompleksów metaloorganicznych, a nawet do czystego metalu. Błyszczące cząsteczki osiadły na koloniach bakterii, tworząc odlewy wielokomórkowych łańcuchów, które można teraz oglądać pod skaningowym mikroskopem elektronowym. Drobnoustroje nadal wytrącają złoto nawet teraz – proces ten obserwuje się np. w gorących źródłach Nowej Zelandii, choć na bardzo skromną skalę.

Zarówno Witwatersrand, jak i prawdopodobnie inne osady w tym samym wieku, były wynikiem żywotnej aktywności społeczności bakteryjnych w atmosferze beztlenowej. Anomalia magnetyczna Kurska i związane z nią złoża rud żelaza powstały na początku epoki tlenowej. Jednak więcej osadów tej skali nie pojawiło się i prawdopodobnie nigdy nie zaczną ponownie się formować: od tego czasu skład atmosfery, skał i wód oceanicznych zmieniał się wielokrotnie.

Ale w tym czasie zmieniły się również niezliczone pokolenia żywych organizmów, a każdemu z nich udało się wziąć udział w globalnej ewolucji Ziemi. Zniknęły zarośla gąbek morskich i drzewiastych skrzypów lądu, nawet stada mamutów należą już do przeszłości, pozostawiając ślad w geologii. Nadszedł czas na inne istoty i nowe zmiany we wszystkich powłokach naszej planety - wodzie, powietrzu i kamieniu.