Als het gaat om het maken van een blijvende indruk in de geologische geschiedenis, het medium maakt het verschil, vooral in de paleo-oceanen van de aarde. Hier, tijdens de Archeïsche Eon (4, 000-2, 500 miljoen jaar geleden) en soms tijdens het Proterozoïcum (2, 500-541 miljoen jaar geleden), toen het zuurstofgehalte in de atmosfeer en de oceanen veel lager was dan nu, sedimentaire mineralen bewaarde handtekeningen van biologische activiteit in de vorm van fijne texturen gecreëerd door microbiële gemeenschappen. De omgevingscondities waaronder dergelijke rotsen zich vormen, bepalen hoe de kristalstructuur zich ontwikkelt - hoe ordelijker en fijner, hoe beter de bewaring.

Begrip, en beter nog, repliceren hoe deze oude mineralen groeiden, geeft informatie over de vroegere omgevingen van de aarde, en hoe organismen zich ontwikkelden en gedroegen. Een van deze fossielhoudende rotsen is tot nu toe moeilijk te kopiëren in het laboratorium gebleken.

Onderzoekers van MIT en Princeton University hebben een manier gevonden om een ​​deel van de oude aarde in het laboratorium na te bootsen door een van deze weerbestendige, informatiedragende mineralen, dolomiet, wiens formatie wetenschappers al lang verbijsterd heeft. Een naaste verwant aan, en waaruit kan worden gemaakt, mineralen die kalksteen maken, dolomiet was alomtegenwoordig in het verleden; echter, onderzoekers vinden het zelden in moderne omgevingen. Hoewel het is gemaakt van componenten die vaak in zeewater worden aangetroffen, er zijn fysieke en kinetische barrières die de vorming van dolomiet-lagen van carbonaat (CO3-2) ionen met afwisselende centrale atomen van calcium en magnesium voorkomen. Alternatief, studies hebben melding gemaakt van protodolomiet - een gesteente met een ongeordende kristalstructuur, komt alleen voor in zeer zoute moderne omgevingen, maar dit mineraal behoudt niet dezelfde fijne microbiële texturen als zijn meer geordende broer.

"Om te zoeken naar bewijs van oud leven en oude processen, je moet kijken naar microbiële structuren. Daar staat de informatie. Een deel van die informatie wordt bewaard in de vorm van zeer fijnkorrelig dolomiet, die neerslaat bijna als de microben groeien. Het behoudt de lamina van deze microbiële matten, " zegt Tanja Bosak, universitair hoofddocent bij het MIT Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences (EAPS), wiens lab het onderzoek leidde. Haar groep gebruikt experimentele geobiologie om moderne biogeochemische en sedimentologische processen in microbiële systemen te onderzoeken en de geschiedenis van het leven op de vroege aarde te interpreteren. Echter, "Er is een groot probleem met de oorsprong van fijnkorrelig dolomiet in veel microbiële structuren door de tijd heen:er was geen duidelijke manier om dolomiet te maken onder de oppervlakteomstandigheden van de aarde."

Hun resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Geologie rapporteer de eerste creatie van geordend dolomiet en ontdek dat de truc om deze texturen te vangen een brij van mangaanionen kan zijn, zeewater, licht, en een biofilm van anaërobe, zwavel-metaboliserend, fotosynthetische microben in een zuurstofvrije omgeving.

De co-auteurs van de studie zijn voormalig EAPS-postdoc Mirna Daye en universitair hoofddocent John Higgins van de Princeton University.

Dolomietprobleem en het belang van orde

Sinds de eerste identificatie van dolomiet in de 18e eeuw in wat nu bekend staat als de Dolomieten in Noord-Italië, wetenschappers zijn stomverbaasd over hoe dolomiet zich vormt, en waarom er in de moderne tijd zoveel oud dolomiet is en zo weinig van het mineraal. Dit probleem werd "het dolomietprobleem" genoemd.

Wetenschappers hebben ontdekt dat modern dolomiet zich op twee manieren kan vormen. Het slaat neer als het ondiep is, hyperzout zeewater wordt verwarmd, en wanneer kalksteen magnesiumrijk water tegenkomt, als een diep rif dat is binnengevallen door zeewateroplossingen. Echter, beide methoden maken grote kristallen die veel van de biologische informatie verdoezelen. In modern zeewater, echter, aragoniet en calciet (verschillende kristallijne structuren van calciumcarbonaat) zullen eerder neerslaan dan dolomiet. "Het is niet moeilijk om dolomiet te maken als je een beker zeewater tot zeer hoge temperaturen verwarmt, maar je krijgt het nooit alleen bij de oppervlaktetemperatuur en -druk van de aarde, " zegt Bosak. "Het is echt moeilijk om magnesium in de mineralen te krijgen; het wil niet echt in het kristalrooster gaan." Dat is een deel van het grotere plaatje. Bovendien, deze mechanismen houden geen rekening met minerale variaties (mangaan of ijzerrijk dolomiet) die zijn waargenomen tijdens de Archeïsche en Proterozoïsche perioden waarin deze texturen bewaard zijn gebleven. "Je ziet dat zeewater verzadigd is met dolomiet, [maar] het vormt zich gewoon niet, dus daar is een kinetische barrière voor."

Pas aan het begin van de 20e eeuw toonde een Russische microbioloog het potentieel aan van anaërobe bacteriën om dolomiet te vormen uit mineralen in oceaanwater, een proces dat biomineralisatie wordt genoemd. Vanaf dat moment, onderzoekers hebben ontdekt dat in moderne omgevingen, biofilms - met fotosynthetische microben en de slijmerige organische matrix die ze voor hun huis uitscheiden (exopolymere stoffen) - in sterk verdampende poelen van zout water kunnen een oppervlak vormen waarop dolomiet kan kiemen en groeien. Echter, deze biofilms zijn niet fotosynthetisch. In tegenstelling tot, veel microbiële structuren die werden bewaard vóór de opkomst van zuurstof groeiden in minder zoute mariene omgevingen en worden verondersteld te zijn geproduceerd door fotosynthetische microbiële gemeenschappen. Aanvullend, de locatie van ionen en microben waarvan gedacht werd dat ze bij dit proces betrokken waren, verschilde in het verleden waarschijnlijk. De microben uit het verleden vertrouwden op sulfide, waterstof, of ijzerionen voor fotosynthese. Onderzoekers vermoeden dat meer dan 2 miljard jaar geleden, mangaan- en ijzerionen waren hoger aanwezig in de oceaansedimenten of zelfs in de waterkolom. Vandaag, vanwege de zuurstofrijke atmosfeer, ze zijn dieper begraven in sedimenten waar anaërobe omstandigheden kunnen optreden. Echter, door het gebrek aan zonlicht groeien hier geen microbiële matten, dus ook dolomiet niet.

Hoewel de suggestie van microbiële betrokkenheid een sterke stap was om het dolomietprobleem op te lossen, de zaken van kristalordening en vorming in de zonovergoten mariene zone, waar microben sedimenten koloniseren, waren nog steeds niet opgelost.

Het verleden reproduceren

Bij het onderzoeken van vroege sedimentologische conservering, de groep voerde een reeks experimenten uit die de omstandigheden van deze oude oceanen repliceerden met een anaërobe atmosfeer. Ze gebruikten een combinatie van moderne biofilms, lichte/donkere omgevingen, en zeewater aangepast om vroege aardse omstandigheden na te bootsen met en zonder mangaan, een van de metalen die vaak in het mineraal worden aangetroffen en waarvan wordt gedacht dat het de groei van bacteriën bevordert. De onderzoekers gebruikten microben uit een meer in de staat New York, uit diepten die geen zuurstof hebben.

In hun experimenten, de onderzoekers merkten iets onverwachts op:het meest voorkomende mineraal in de biofilms was zeer geordend dolomiet, en de flesjes die de meeste produceerden bevatten fotosynthetiserende microben en mangaan - een resultaat dat consistent is met veldrapporten. Terwijl de matten opgroeiden naar het licht, kristallen verzamelden zich op hen, met de oudste aan de onderkant die kleine kronkels opvangt waar nu aangetaste microbiële matten waren. Hoe uitgebreider de dekking, hoe kleiner de porositeit, wat de kans verkleinde dat vloeistoffen hen infiltreerden, interactie met en oplossen van de mineralen, en in wezen het wissen van gegevens. De experimenten zonder mangaan of uitgevoerd in het donker (geen fotosynthese) ontwikkelden ongeordend dolomiet. "We begrijpen niet precies waarom mangaan en de microben dat effect hebben, maar het lijkt erop dat ze dat wel doen. Het is bijna een natuurlijk gevolg van dat soort omstandigheden, " zegt Bosak. Niettemin, "Het was een groot probleem om te laten zien dat dat ook echt kan gebeuren."

Nu het team een ​​manier heeft gevonden om geordend dolomiet te maken, ze zijn van plan te onderzoeken waarom het zich vormt, variaties, en hoe het gesteente de omgevingscondities registreert waarin het zich vormt. Na het zien van het effect dat mangaan had op dolomiet, de onderzoekers kijken naar ijzerionen, die geïntegreerd in deze oude rotsen. "IJzer lijkt ook de vorming van de opname van magnesium in dit mineraal te stimuleren, om welke reden dan ook, ' zegt Bosak.

Ze zullen ook de unieke microbiële interacties en fysieke eigenschappen onderzoeken die aanwezig zijn om te zien welke componenten essentieel zijn voor het neerslaan van dolomiet. De individuele niches die elk anaëroob organisme inneemt, lijken de gemeenschap te helpen groeien, cyclus elementen, stoffen afbreken, en zorgen voor een oppervlak voor kristallen. De Bosak-groep gaat dit doen door verschillende organismen onder dezelfde of verschillende omgevingscondities te fossiliseren om te kijken of ze dolomiet kunnen produceren. Tijdens deze experimenten, ze zullen controleren hoe goed dolomiet de temperatuur registreert waarop het is gemaakt, evenals de chemische en isotopensamenstelling van de omringende oplossing, om het proces beter te begrijpen.

"Ik denk dat het ons vertelt dat - wanneer we het verleden proberen te interpreteren - het een heel andere planeet is:verschillende soorten organismen, verschillende soorten metabolisme die dominant waren, " zegt Bosak, "en ik denk dat we net beginnen te krassen op de mogelijke minerale uitkomsten, wat voor soort textuurresultaten we zelfs kunnen verwachten."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.