Строматолиты: когда и как они возникли, важность - наука

Примечания и ссылки

Заметки

От греческого στρώμα ( strôma , ковер) и λίθος ( lithos , камень).
Древние строматолиты от палеозоя до раннего кайнозоя были бы в основном морскими, в то время как более современные строматолиты больше относились к пресноводной среде .

Первые живые организмы (3,5–2,5 млрд лет назад)

В распоряжении современной науки, как мы уже подчеркивали, имеются не сами останки древних одноклеточных организмов, а продукты их деятельности в виде некоторых минералов. Это позволило сделать вывод о том, что в архейскую эру уже сформировались бактерии и сине-зеленые водоросли. Принято считать, что возникновение жизни на Земле вскоре привело к появлению трех царств живых существ: архебактерий, современных бактерий (эубактерий) и надцарства (включающего согласно классификации несколько царств) эукариот. К последним относятся те, чьи клетки имеют более сложную организацию, — они включают окруженное мембраной ядро, содержащее ДНК в виде хромосом.

В составе цитоплазмы эукариотических клеток есть высокоразвитые органеллы (митохондрии, хлоропласты, эндоплазматический ретикулум и др.), которых нет у бактерий. Эукариоты — это царства животных, растений и грибов (которых в архейскую эру еще не было) и одноклеточных простейших (которые уже могли существовать).

Общая схема фотосинтеза

В ходе эволюции ни архебактерии (жители бескислородной среды того времени), ни эубактерии не дали начала новым формам жизни. Эта участь выпала только эукариотам — простейшим архейских морей.

Однажды появившись, сине-зеленые водоросли стали обогащать атмосферу кислородом.

В конце архея эволюция вплотную приступила к созданию важнейших для живых существ приспособлений полового процесса и многоклеточности. Разговор о них впереди.

Поделиться ссылкой

Строматолиты в прошлом

Следы строматолитов в осадочном известняке

Строматолиты формации Pika (кембрий) у озера Хелен, национальный парк Банф , Альберта , Канада

Окаменелые строматолиты, найденные вдоль реки Оттава , Гатино , Квебек , Канада.

Они уже существовали 3,42 миллиарда лет назад на всех континентах . В то время, когда Луна была ближе к Земле (333 150 км вместо 384 400 км в настоящее время), а вращение Земли было быстрее, чем сегодня (дни длились 18 часов), приливная зона была намного выше (расчетная средняя дальность приливов : 25 метров. ), и поэтому береговая линия была намного больше, так что ископаемые строматолиты могут простираться на большие площади, такие как к югу от Мраморного бара в кратоне Пилбара , одном из старейших кратонов в мире, в группе Варравуна в Западной Австралии . Считалось, что строматолиты возрастом 3,7 миллиарда лет были обнаружены в зеленокаменном поясе Исуа на острове к юго-западу от Гренландии в 2016 году, но этот вывод был поставлен под сомнение в 2018 году в опубликованном исследовании журнала Nature . Описанные тогда «строматолитические структуры» в виде конусов или куполов рассматриваются в этой статье как результат деформаций отложений после осаждения, которые имели место спустя много времени после их захоронения.

Первые научные публикации предполагали, что они испытали оптимум глобального распространения и максимальное разнообразие форм и структур в протерозое (1,5 миллиарда лет назад), которое сохранялось бы на этом уровне примерно до 700 миллионов лет назад. Более свежие данные показывают, что их численность и разнообразие сократились раньше в пользу других видов. Сейчас считается, что, хотя возможно, что они были единственной формой жизни или очень доминирующей формой примерно до 550 млн лет назад, сокращение их разнообразия началось намного раньше, чем предполагалось вначале. И наоборот, их продолжительность составляет более 1 миллиарда лет. Пик разнообразия будет датироваться от 1 до 1,3 миллиарда лет, прежде чем упасть до 75% от этого уровня (между -1 миллиардом и -700 миллионов лет), чтобы окончательно упасть до менее чем 20% этого уровня. Разнообразие в раннем кембрии .

Макнамара считает, что сокращение их разнообразия, вероятно, является результатом конкуренции с появлением других видов в конце протерозоя . Появление этой тенденции, основанной на временах расхождения молекулярных последовательностей животного происхождения, могло произойти не менее 1 миллиарда лет назад.

Строматолиты, несомненно, способствовали созданию нашей атмосферы, богатой дикислородом и озоновым слоем, что позволило развить более сложную наземную и океаническую жизнь. Их рост медленный, но на протяжении миллиардов лет они лежали у истоков мощных рифов или внушительных известняковых или доломитовых массивов (толщиной до 3 километров в Антиатласе в Марокко ) или в Конго (созданные более 700 миллионов лет назад. )

Таким образом, эти микробные сообщества в прошлом были источником первого важного связывания углерода (и кальция , который в высоких дозах является токсичным металлом для сложных организмов).

Мертвые строматолиты считаются ископаемыми породами . Согласно принципу актуализма , предполагается, что самые старые из них также были разработаны сообществом микроскопических организмов , таких как бактерии и примитивные водоросли .

Древние строматолиты являются одними из самых старых ископаемых горных пород известного биологического происхождения ( самый старый из известных: 3,465 миллиарда лет). Они наиболее распространены в отложениях докембрийского возраста .

Эти сообщества доминировали в морской жизни между 3500 и 500 млн лет назад . Появление к концу докембрия и началу кембрия более сложных форм жизни, таких как моллюски , ракообразные и позвоночные, знаменует их упадок.

Сообщества, образующие эти породы, затем были ограничены изолированными экологическими нишами , включая мелководные и довольно соленые морские среды, не очень благоприятные для других организмов. Эти породы встречаются в отложениях всех возрастов.

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.

Презентация на тему: » Архей — самая древняя эра,началась более 3,5 млрд. лет назад и продолжалась около одного млрд. лет. В это время были уже довольно распространены цианобактерии,» — Транскрипт:

Архей — самая древняя эра,началась более 3,5 млрд. лет назад и продолжалась около одного млрд. лет. В это время были уже довольно распространены цианобактерии, окаменевшие продукты строматолиты.В архее уже существовало своеобразная прокариотическая биосфера.Цианобактерии для жизнедеятельности нужен кислород,но так как кислорода ещё не было им хватало того что выделялся при химических реакциях простейших в земной коре. Важнейшим событием архея явилось возникновение фотосинтеза. Биосфера получила неиссякаемый источник энергии,а в атмосфере начал накапливаться кислород. Содержание кислорода в атмосфере ещё долго оставалась низким, однако появились предпосылки бурного развития аэробных организмов в дальнейшем.

бактерии АРХЕЙ. О жизни в архее известно не много. Единственными животными организмами были клеточные прокариоты – бактерии. АРХЕЙ. О жизни в архее известно не много. Единственными животными организмами были клеточные прокариоты – бактерии. Сине-зеленые, бактерии быстро распространяются в архее и становятся хозяевами планеты. Эти организмы не имели обособленного ядра, но развитой системой обмена веществ, способностью к размножению. Сине-зеленые, кроме того, обладали аппаратом фотосинтеза. Появление последнего было крупнейшим ароморфозом в эволюции живой природы и открыло один из путей (вероятно, специфически земной) образования свободного кислорода.

строматолиты Строматолиты — известковые образования в виде столбов, обнаружены в Канаде, Австралии, Африке, на Урале, в Сибири. Бактериальную основу имеют осадочные породы железа, никеля, марганца. Многие микроорганизмы – активные участники формирования колоссальных, пока еще мало разведенных ресурсов полезных ископаемых на дне Мирового океана. Велика роль микроорганизмов и в образовании горючих сланцев, нефти и газа. Строматолиты — известковые образования в виде столбов, обнаружены в Канаде, Австралии, Африке, на Урале, в Сибири. Бактериальную основу имеют осадочные породы железа, никеля, марганца. Многие микроорганизмы – активные участники формирования колоссальных, пока еще мало разведенных ресурсов полезных ископаемых на дне Мирового океана. Велика роль микроорганизмов и в образовании горючих сланцев, нефти и газа.

водоросли Водоросли – обитатели воды. Они живут как в водоемах с пресной водой, так и в соленых водах морей и океанов. Есть и такие, которые живут вне воды, например, на коре деревьев. Водоросли очень разнообразны. Знакомство с ними начнем с одноклеточных зеленых водорослей. Водоросли – обитатели воды. Они живут как в водоемах с пресной водой, так и в соленых водах морей и океанов. Есть и такие, которые живут вне воды, например, на коре деревьев. Водоросли очень разнообразны. Знакомство с ними начнем с одноклеточных зеленых водорослей.

вулканизация В архейской эре была сильно развита вулканизация. В архейской эре была сильно развита вулканизация.

термофилы (от термо… и…фил) — организмы, нормально существующие и размножающиеся при температуре выше 45. С (гибельной для большинства живых существ). Некоторые рыбы, беспозвоночные (черви, насекомые, моллюски),микроорганизмы и растения. Обитают в горячих источниках, верхних слоях почвы, прогреваемых солнцем, в самонагревающихся субстратах (навоз, торф, зерно). Так как была очень высокая вулканизация, воды в пещерах были высокой температуры, это способствовало размножению термофилов. (от термо… и…фил) — организмы, нормально существующие и размножающиеся при температуре выше 45. С (гибельной для большинства живых существ). Некоторые рыбы, беспозвоночные (черви, насекомые, моллюски),микроорганизмы и растения. Обитают в горячих источниках, верхних слоях почвы, прогреваемых солнцем, в самонагревающихся субстратах (навоз, торф, зерно). Так как была очень высокая вулканизация, воды в пещерах были высокой температуры, это способствовало размножению термофилов.

Над презентацией работали: Над презентацией работали: Безвинный А.А. Асафов Н.М. Игошин А.А. Безвинный А.А. Асафов Н.М. Игошин А.А.

4.

Зачем им вообще двигаться? Чтобы ловить наверху — там, где строматолит выглядывает из воды, — солнечные лучи, а внизу, на мелководье, — живительную влагу. Впрочем, цианобактериальный мат состоит из разных типов микроорганизмов: кто-то из них, к примеру, не переносит воздуха и осуществляет свою работу по поддержанию жизни колонии внутри «камня», кто-то занимается наращиванием новых «этажей». Последний — процесс вовсе не быстрый: скорость роста в высоту у современных строматолитов равна примерно всего 0,3 мм в год.
Какова цель жизни у такого организма? Продолжить свой род, а еще выделять кислород. Тем же самым занимались и древние строматолиты. Именно они вместе с фитопланктоном наполнили нашу атмосферу живительным кислородом. Ведь старейшие остатки цианобактериальных матов найдены в формации Исуа в Гренландии (их описали в 2016 году ученые из университетов Австралии и Великобритании). Их возраст составляет 3,7 млрд лет.

Статистика: Останки древних строматолитов сегодня используются как отличный декоративный материал из-за красивой слоистой структуры. Дело в том, что микробные маты, обитавшие на планете в протерозое (от 2,5 до 541 млн лет назад), были устроены намного сложнее современных. Они имели ветвистую структуру и множество интересных форм. Некоторые из них, к примеру, были полностью шарообразными (такие шары просто плавали в океане), другие вырастали до 1 км в ширину и до 75 м в высоту. Самые крупные современные маты достигают лишь 1 м в ширину и нескольких сантиметров в длину.
В ту седую древность наша планета была похожа не на гостеприимный голубой шар, а на черный камень, испещренный кровавыми «нарывами» вулканов и траппов. Вулканы изрыгали ядовитый дым и газ — никакого кислорода не было и в помине, так как не было растений, способных его выделять. Роль последних выполняли строматолиты, царствовавшие на планете миллионы лет. Именно в силу отсутствия «хищников» в те далекие времена, а также большого числа мелководных морей (воды на планете тогда было мало) их останки и находят по всему миру.

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..

Интерес к палеоэкологии и знание палеоклимата

Реконструкция архейского пейзажа со строматолитами, Тимом Бертелинком, с Луной на восходе, затем ближе к 51 250 километрам от Земли .

Как биогенная порода, структуры строматолита несут на себе следы древнейших живых организмов и организаций; они не являются остатками конкретного организма, но окаменения из не- кораллового рифа . Цианобактерии, которые в настоящее время доминируют в этих структурах, если они также доминировали в докембрийские времена, являются показателем фотосинтетической активности и, следовательно, поглощения углерода и значительного производства кислорода на очень ранней стадии истории примитивной атмосферы. В отсутствие биологической контрмодели именно эта гипотеза преобладает в науках о Земле. Эти микробные рифы, когда-то окаменевшие, придают скалам различные структуры, изучение которых позволяет нам лучше понять прошлое в ретроспективе, в том числе климатическое. Все окаменелые рифы, которые, как предполагается, образовались в результате деятельности микроорганизмов, способствующих биологическому строительству, часто квалифицируются как «строматолитические».

По фотосинтетической активности , углерод 12 ( 12 C) , имеющейся в растворенной двуокиси углерода является преимущественно фракционировали с углеродом 13 ( 13 C), этот второй изотоп был найден в избытке в воде океана: следовательно , он представляет собой хороший геохимической прокси вариаций в автотрофных активности в докембрия . Таким образом, помимо улавливания осадка, колонии бактерий ответственны за часть осаждения карбонатов и солей железа . Когда микробный матрикс насыщается, волокна умирают и служат твердой известковой опорой для развития другого матрикса за счет возобновления микробной активности.

Гипотезы о роли эволюции в возникновении строматолитов

И слизистая, и многослойная структура, создаваемая этими очень старыми (и по этой причине называемыми «примитивными» бактериями), могли возникнуть в результате естественного отбора .

Когда эти организмы появились и начали колонизировать приливно-отливную зону и в то время возникли прибрежные лагуны суши, отсутствие кислорода в атмосфере , а затем и его дефицит, не позволяли существовать в течение долгого времени озоновому слою. например, тот, который защищает нас сегодня от солнечной радиации и, в частности, ультрафиолетовых лучей , которые смертельны для бактерий.

Это студенистое вещество могло действовать как солнцезащитный крем против УФ-излучения. Эта роль может все еще существовать в эдиакарской фауне , которая является более сложной, но окаменелости которой предполагают, что она состояла из студенистых животных организмов, таких как медузы.

В настоящее время мы все еще можем наблюдать колонии бактерий (например, род Nostoc ) или высших водорослей, которые выдерживают воздействие в течение нескольких часов полного солнца во время отлива благодаря слизи или слизистому веществу.

Защитная роль от кислорода. Кислород — это отходы метаболизма фотосинтезирующих бактерий. Он токсичен ( окисляет , производит свободные радикалы ) для бактерий, если они накапливают его во внутренней среде.
Защитная роль от углекислоты и бикарбоната CO _2, растворенного в примитивном океане (строматолиты способствовали нейтрализации кислотности примитивного океана и сделали жизнь более сложной).

Со своей стороны, внешний слой биогенного известняка (образованный колониями клеток из «внешней биопленки» и слизистым веществом, которое способствует осаждению кальция в известняк), по-видимому, играет несколько дополнительных ролей:

он «удваивает» защиту слизи от ультрафиолетовых лучей, тепла и обезвоживания (особенно во время отлива, когда строматолиты подвергались воздействию солнца и ветра);
это опора (самозастроенная), благоприятная для этого типа бактериальных колоний: такая структура позволяет им фактически не уноситься потоками и оставаться идеально закрепленными в своей зоне экологического оптимума , имея максимальное количество солнечного света (без его недостатков). ), но также минеральные соли и микроэлементы, полученные в результате выщелачивания континентальных пород ;
обеспечивает физическую защиту от волн и эрозии твердыми частицами песка во взвешенном состоянии; индивидуально для каждой колонии и вместе для «колоний колоний», образованных строматолитовыми зонами.

Упоминаются две другие гипотезы, в частности, Джеймс Лавлок в его гипотезе Гайи и ее последующем развитии:

Создание известкового «биоматериала» в значительной степени способствовало детоксикации внутренней среды этих бактерий, которая не должна быть слишком богата кальцием , токсичным из-за низких концентраций внутри клетки, а также угольной кислотой , которая образуется при наличии большое количество CO _2, растворенного в воде или в помещении — в то время считалось, что атмосфера в основном состоит из CO ₂ ;
роль в биогеопланетной физиологии и биосфере благодаря абсорбции и инертизации CO ₂ вместе с кальцием. По мере того, как температура солнца и инфракрасное излучение, получаемое Землей, увеличивались, угрожая зарождающейся жизни, гигантский сток углерода составляли строматолиты (а затем и все другие организмы, участвующие в создании биогенных известняковых пород (коралловые рифы, известняковые раковины). …) или осадочные (некромасса) позволили, что, хотя температура Солнца повысилась с момента появления жизни , температура Земли оставалась относительно стабильной благодаря этому (естественному) связыванию CO ₂ из атмосферы …

Строматолиты сегодня

Сегодняшние рифовые структуры очень редко выглядят очень похожими на строматолиты, образовавшиеся более 3 миллиардов лет назад. Они встречаются разного размера, структуры и цвета (серо-голубой, кремово-желтый, от красноватого до почти черного), но только в нескольких местах на земном шаре, на берегу моря или озера:

Shark Bay ( « приют Hamelin », на западном побережье Австралии );
озера Тетис (в) , (немного дальше на юг, но и на западном побережье Австралии );
голубое озеро (южная Австралия );
Salgada озеро (пт) ( Бразилия );
Лагуна семи цветов (Мексика)
Солнечное озеро ( Египет );
Персидского залива , Зеленое озеро , Солт — Лейк ;
на Багамы ;
Трансвааль ( Южная Африка );
остров Хайнань в Китае ;
три теплых (от 27 до 35 ° C ) озера в Западной Австралии : солоноватое на острове Роттнест и Клифтон и пресноводное на Ричмонде.
Dard , в направлении Бом-ле-господа в Юры .

Многочисленные серные горячие источники , например, в Йеллоустонском национальном парке , также являются домом для цианобактерий, часто создающих строматолитические структуры, хотя их меньше и они отличаются от видов, обитающих в более прохладных водах.

Строматолиты также присутствуют в окаменения источники и потоки , как в Франции в потоке Dard вблизи Лон-ле-Сонье ( отдел по Юры ) и в потоке оцепенение водопада Сен — Пьер-Ливрона около Caylus ( отдел по Тарн и Гаронна ).

Они имеют форму, размер и плотность, которые варьируются в зависимости от географического положения, а также в зависимости от градиента глубины, направления ветра и волн (они удлиняются в этом направлении). Там, где они наиболее разнообразны, в озере Фетида, мы можем выделить:

«пустулезная» разновидность с Entophysalis , наиболее часто обнажаемая приливом. Эти строматолиты мало или не слоистые и менее плотные, в виде глобально круглых блоков шириной один метр и высотой десять сантиметров. В основном они производятся бактерией Entophysalis major , которая могла происходить от Entophysalis (что сделало бы ее самой старой прямой живой линией, известной на Земле как неископаемый организм).
«гладкий» сорт с Microcoleus и Schizothrix, характеризующийся более высокими и отчетливо слоистыми столбиками, которые растут только в нижней части приливной зоны, продуцируемой нитчатыми цианобактериями Microcoleus chthonoplasts и различными видами бактерий рода Schizothrix, связанными с другими разновидностями бактерий.
разновидность «ботриоид», произведенная комбинацией диатомовых водорослей и цианобактерий. Эти грядки, которые всегда находятся под водой (глубиной до 4 м ), выделяют большой слой слизи . Они могут быть заселены водорослями рода Acetabularia .

Их рост очень медленный: в Shark Bay мы измерили годовой прирост менее полумиллиметра (0,4 мм ) в год.

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

Механизм, по которому развиваются строматолиты — их способность покидать слои (или слои) по мере их роста — приводит к своего рода каменистой записи.

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..