Архейская жизнь в Зеленокаменном поясе Барбертона

Зеленокаменный пояс Барбертона на востоке Южной Африки содержит некоторые из наиболее широко распространенных ископаемых свидетельств архейской жизни . Эти с клетку размером окаменелости прокариот можно увидеть в летописи окаменелостей Барбертона в породах возрастом около 3,5 миллиардов лет. ^{[ 1 ]} Зеленокаменный пояс Барбертона — отличное место для изучения архейской Земли из-за обнаженных осадочных и метаосадочных пород.

Изучение самых ранних форм жизни на Земле может предоставить ценную информацию, которая поможет понять, как жизнь может развиваться на других планетах . Уже давно выдвигалась гипотеза о том, что жизнь могла существовать на Марсе из-за сходства экологических и тектонических условий в архейское время. ^{[ 2 ]} Зная среду, в которой развивалась ранняя жизнь на Земле, и типы горных пород, которые ее сохранили, ученые смогут лучше понять, где искать жизнь на Марсе.

Глобальное начало жизни

Ископаемая жизнь возрастом 3,5 миллиарда лет также обнаружена в кратоне Пилбара на западе Австралии. ^{[ 3 ]} Эти доказательства, наряду с окаменелостями Барбертона, показывают, что к этому моменту эволюции Земли должна была существовать клеточная жизнь. Есть работа, которая потенциально демонстрирует существование жизни 3,8 миллиарда лет назад на территории нынешней западной Гренландии . ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} но это очень обсуждается. Клеточная жизнь существовала 3,5 миллиарда лет назад и, таким образом, развивалась до этого времени. Поскольку Земле 4,5 миллиарда лет, ^{[ 6 ]} Существует окно продолжительностью около одного миллиарда лет для развития клеточной жизни на безжизненной Земле.

Архейская тектоническая история Зеленокаменного пояса Барбертона

расположен Зеленокаменный пояс Барбертона на кратоне Каапвааль , который покрывает большую часть юго-восточной части Африки, и образовался в результате размещения гранитоидных батолитов . ^{[ 7 ]} Кратон Каапвааль когда-то был частью суперконтинента, названного геологами Валбара , который также включал кратон Пилбара в западной Австралии. ^{[ 7 ]} Хотя точное время до сих пор обсуждается, вполне вероятно, что Ваальбара существовала примерно от 3,6 до 2,2 миллиардов лет назад. ^{[ 8 ]} а затем раскололась на два разных континента.

Доказательства на всю жизнь

Сохранившаяся жизнь в архейских породах изменилась за свою 3,5-миллиардную историю, и поэтому ее трудно различить. Структура клеточной стенки может сохраняться, но первоначальный состав со временем меняется и минерализуется . Существует шесть установленных критериев для определения вероятности того, что данная микроструктура является микроископаемым : ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

Настоящие микрофоссилии должны встречаться относительно часто.
Истинные микрофоссилии должны иметь углеродистый состав или, если они минеральные, быть биологически осажденными (например, некоторые бактерии образуют пирит в результате обменных процессов). ^{[ 11 ]}
Настоящие микроокаменелости должны иметь биологическую морфологию . (см. следующий раздел)
породах нет микрокаменелостей Настоящие микроокаменелости должны встречаться в геологически правдоподобном контексте (например, в магматических , потому что жизнь не может расти в расплавленной лаве).
Настоящие микрофоссилии должны вписываться в устоявшийся эволюционный контекст (например, существование сложных микрофоссилий через 3,5 миллиарда лет крайне маловероятно, поскольку им еще предстоит эволюционировать от своих более простых клеточных предков).
Истинные микрофоссилии должны отличаться от небиогенного углеродистого вещества . (см. «Изотопный анализ» ) раздел

Морфология клеток

Клетки сохраняются в летописи горных пород, поскольку их клеточные стенки состоят из белков, которые превращаются в органический материал кероген по мере разрушения клетки после смерти. Кероген нерастворим в минеральных кислотах , основаниях и органических растворителях . ^{[ 12 ]} Со временем он минерализуется в графит или графитоподобный углерод или разлагается до углеводородов нефти и газа. ^{[ 13 ]}

Существует три основных типа морфологии клеток. Хотя не существует установленного диапазона размеров для каждого типа, сфероидные микроокаменелости могут достигать размера около 8 мкм, нитчатые микроокаменелости обычно имеют диаметр менее 5 мкм и длину, которая может варьироваться от десятков мкм до 100 мкм, а веретеновидные микроокаменелости могут иметь диаметр от десятков до 100 мкм. как и микроокаменелости, могут достигать 50 мкм в длину. ^{[ 1 ]}^{[ 14 ]}

Изотопный анализ

Фракционирование стабильных изотопов является полезным способом характеристики органического углерода и неорганического . Эти числа обозначаются как $δ$ ¹³Значения C , где C обозначает химический элемент углерод. Изотопный анализ неорганического углерода обычно дает δ ¹³Значения C тяжелее -10 на мил , причем числа обычно падают между -5 и 5 на мил. Однако органический углерод имеет δ ¹³Значения C в диапазоне от -20 промилле для фотоавтотрофных бактерий. ^{[ 15 ]} до −60 промилле для микробных сообществ, перерабатывающих метан . ^{[ 16 ]} Большой диапазон значений органического углерода связан с клеточным метаболизмом . Например, организм , использующий фотосинтез ( фототроф ), будет иметь другой изотоп δ. ¹³Значение C выше, чем у организма, который использует химические вещества для получения энергии (автотроф ) .

Ископаемая запись

Самые старые микроокаменелости из зеленокаменного пояса Барбертон обнаружены в группе Онвервахт, в частности, в формациях Кромберг и Хооггеног. ^{[ 1 ]} Обе эти формации представляют собой преимущественно магматические породы ; осадочная порода подверглась метаморфизации. Тем не менее, все еще можно найти микроокаменелости в кремне , типе эвапорита , который образуется в осадочной среде. Судя по данным, обнаруженным в этих породах, вполне вероятно, что ранняя жизнь существовала в форме микробных матов и строматолитов . Доказательства этой гипотезы сохранились как в кремнях, так и в литифицированных строматолитах. ^{[ 1 ]}

Строматолиты представляют собой большие колонии микроорганизмов и встречаются как в летописи окаменелостей, так и редко в современных гиперсоленых средах. Типичный строматолит состоит из чередующихся слоев осадка и микробов . Микробы фотосинтезируют ; таким образом, строматолиты представляют собой мелководную среду в летописи окаменелостей из-за их необходимости существовать в фотической зоне водоемов. Строматолиты обычно состоят из нитчатых микроокаменелостей. ^{[ 17 ]} Возраст самых старых строматолитов оценивается примерно в 3,5 миллиарда лет. ^{[ 18 ]} Строматолиты в Барбертоне датируются примерно 3,3 миллиардами лет назад.

Микроокаменелости, обнаруженные в кремнеземе, продлевают историю микрокаменелостей Барбертона до 3,5 миллиардов лет. В кремнях обнаружены все три типа морфологии микрофоссилий. Кремень может иметь самые разные цвета, но микроокаменелости обычно встречаются в черных кремнях, поскольку темный цвет может указывать на органический материал. ^{[ 1 ]}

Будущие приложения

Ученые установили приблизительный возраст, когда жизнь впервые появилась в летописи окаменелостей, но это не эквивалентно возрасту, когда жизнь впервые возникла на Земле. Хотя окаменелости не были обнаружены в более древних породах, доказательства существования жизни можно найти другими способами, такими как расширенные данные по изотопам углерода и рамановская спектроскопия . В научном сообществе также продолжается работа над решением проблемы того, как развивалась клеточная жизнь на враждебной ранней Земле.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Уолш, М. (1991). «Микроокаменелости и возможные микроокаменелости из ранней архейской группы Онвервахт, горная местность Барбертон, Южная Африка». Докембрийские исследования . 54 (2–4): 271–293. дои : 10.1016/0301-9268(92)90074-X . ПМИД 11540926 .
^ Вестолл, Ф.; Стил, А.; Топорски, Дж.; Уолш, М.; Аллен, К.; Гидри, С.; Маккей, К.; Гибсон, Э.; Чафец, Х. (2000). «Внеклеточные полимерные вещества как биомаркеры в земном и внеземном материале» . Журнал геофизических исследований . 105 (10): 24511–24527. Бибкод : 2000JGR...10524511W . дои : 10.1029/2000JE001250 .
^ Шопф, JW (2006). «Ископаемые свидетельства архейской жизни» . Философские труды Королевского общества Б. 361 (1470): 869–885. дои : 10.1098/rstb.2006.1834 . ПМЦ 1578735 . ПМИД 16754604 .
^ Мойжис, С.Дж.; Аррениус, Г.; Киган, К.Д.; Харрисон, TH; Натман, AP; Друг, CLR (2007). «Доказательства существования жизни на Земле 3800 миллионов лет назад». Природа . 384 (6604): 55–58. Бибкод : 1996Natur.384...55M . дои : 10.1038/384055a0 . hdl : 2060/19980037618 . ПМИД 8900275 . S2CID 4342620 .
^ Маккиган, К.Д.; Кудрявцев А.Б.; Шопф, JW (2007). «Снимки графитовых включений в апатите из супракрустальных пород Акилия возрастом более 3830 млн лет назад, западная Гренландия», с помощью рамановской и ионной микроскопии. Геология . 35 (7): 591–594. Бибкод : 2007Гео....35..591М . дои : 10.1130/G23465A.1 .
^ Паттерсон, К. (1956). «Эпоха метеоритов и Земли» (PDF) . Geochimica et Cosmochimica Acta . 10 (4): 230–237. Бибкод : 1956GeCoA..10..230P . дои : 10.1016/0016-7037(56)90036-9 .
^ Jump up to: ^а ^б Чейни, ES (1996). «Стратиграфия последовательностей и тектоническое значение плит Трансваальской последовательности на юге Африки и ее эквивалента в Западной Австралии». Докембрийские исследования . 79 (1–2): 3–24. Бибкод : 1996PreR...79....3C . дои : 10.1016/0301-9268(95)00085-2 .
^ Зегерс, Т.Э.; де Вит, М.; Данн, Дж.; Уайт, С.Х. (1998). «Ваалбара, старейший собранный континент Земли? Комбинированный структурный, геохронологический и палеомагнитный тест». Терра Нова . 10 (5): 250–259. Бибкод : 1998TeNov..10..250Z . CiteSeerX 10.1.1.566.6728 . дои : 10.1046/j.1365-3121.1998.00199.x . S2CID 52261989 .
^ Шопф, Дж.В.; Уолтер, MR (1983). «Архейские микроокаменелости: новые свидетельства существования древних микробов». В Шопфе, JW (ред.). Самая ранняя биосфера Земли . Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета. стр. 214–239.
^ Бьюик, Р. (1984). «Углеродистые нити с Северного полюса, Западная Австралия: это ископаемые бактерии в архейских строматолитах?» (PDF) . Докембрийские исследования . 24 (2): 157–172. Бибкод : 1984PreR...24..157B . дои : 10.1016/0301-9268(84)90056-1 . Архивировано из оригинала (PDF) 25 апреля 2012 года.
^ Омото, Х.; Какегава, Т.; Лоу, ДР (1993). «Биогенный пирит возрастом 3,4 миллиарда лет из Барбертона, Южная Африка: данные изотопа серы». Наука . 262 (5133): 555–557. Бибкод : 1993Sci...262..555O . дои : 10.1126/science.11539502 . ПМИД 11539502 .
^ Филп, РП; Кальвин, М. (1976). «Возможное происхождение нерастворимых органических (керогенных) остатков в отложениях из нерастворимых материалов клеточных стенок водорослей и бактерий». Природа . 262 (5564): 134–136. Бибкод : 1976Natur.262..134P . дои : 10.1038/262134a0 . S2CID 42212699 .
^ Тегелаар, EW; деЛеу, Дж.В.; Деренн, С.; Ларго, К. (1989). «Переоценка образования керогена». Geochimica et Cosmochimica Acta . 53 (11): 3103–3106. Бибкод : 1989GeCoA..53.3103T . дои : 10.1016/0016-7037(89)90191-9 .
^ Олер, ДЗ; Роберт, Ф.; Мостефауи, С.; Мейбом, А.; Село, М.; Маккей, DS (2006). «Химическое картирование протерозойского органического вещества с субмикронным пространственным разрешением». Астробиология . 6 (6): 838–850. Бибкод : 2006AsBio...6..838O . дои : 10.1089/ast.2006.6.838 . hdl : 2060/20060028086 . ПМИД 17155884 .
^ Шидловский, М.; Хейс, Дж. М.; Каплан, ИК (1983). Дж. В. Шопф (ред.). Ранняя биосфера Земли . Издательство Принстонского университета. стр. 149–186.
^ Шидловски, М (1988). «Изотопная запись жизни углерода в осадочных породах за 3800 миллионов лет». Природа . 333 (6171): 313–318. Бибкод : 1988Natur.333..313S . дои : 10.1038/333313a0 . S2CID 4233179 .
^ Байерли, Греция; Лоу, ДР; Уолш, М. (1986). «Строматолиты из супергруппы Свазиленда возрастом от 3300 до 3500 млн лет, Земля Барбертон-Маунтин, Южная Африка». Природа . 319 (6053): 489–491. Бибкод : 1986Natur.319..489B . дои : 10.1038/319489a0 . S2CID 4358045 .
^ Оллвуд, А.; Камбер, бакалавр наук; Уолтер, MR; Берч, И.В.; Каник, И. (2010). «Микроэлементы отражают историю отложения раннеархейской строматолитовой карбонатной платформы» (PDF) . Химическая геология . 270 (1–4): 148–163. Бибкод : 2010ЧГео.270..148А . doi : 10.1016/j.chemgeo.2009.11.013 . Архивировано из оригинала (PDF) 25 апреля 2012 года . Проверено 18 ноября 2011 г.

[Walsh-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Уолш, М. (1991). «Микроокаменелости и возможные микроокаменелости из ранней архейской группы Онвервахт, горная местность Барбертон, Южная Африка». Докембрийские исследования . 54 (2–4): 271–293. дои : 10.1016/0301-9268(92)90074-X . ПМИД 11540926 .

[2] Вестолл, Ф.; Стил, А.; Топорски, Дж.; Уолш, М.; Аллен, К.; Гидри, С.; Маккей, К.; Гибсон, Э.; Чафец, Х. (2000). «Внеклеточные полимерные вещества как биомаркеры в земном и внеземном материале» . Журнал геофизических исследований . 105 (10): 24511–24527. Бибкод : 2000JGR...10524511W . дои : 10.1029/2000JE001250 .

[3] Шопф, JW (2006). «Ископаемые свидетельства архейской жизни» . Философские труды Королевского общества Б. 361 (1470): 869–885. дои : 10.1098/rstb.2006.1834 . ПМЦ 1578735 . ПМИД 16754604 .

[4] Мойжис, С.Дж.; Аррениус, Г.; Киган, К.Д.; Харрисон, TH; Натман, AP; Друг, CLR (2007). «Доказательства существования жизни на Земле 3800 миллионов лет назад». Природа . 384 (6604): 55–58. Бибкод : 1996Natur.384...55M . дои : 10.1038/384055a0 . hdl : 2060/19980037618 . ПМИД 8900275 . S2CID 4342620 .

[5] Маккиган, К.Д.; Кудрявцев А.Б.; Шопф, JW (2007). «Снимки графитовых включений в апатите из супракрустальных пород Акилия возрастом более 3830 млн лет назад, западная Гренландия», с помощью рамановской и ионной микроскопии. Геология . 35 (7): 591–594. Бибкод : 2007Гео....35..591М . дои : 10.1130/G23465A.1 .

[6] Паттерсон, К. (1956). «Эпоха метеоритов и Земли» (PDF) . Geochimica et Cosmochimica Acta . 10 (4): 230–237. Бибкод : 1956GeCoA..10..230P . дои : 10.1016/0016-7037(56)90036-9 .

[Cheney-7] Jump up to: ^а ^б Чейни, ES (1996). «Стратиграфия последовательностей и тектоническое значение плит Трансваальской последовательности на юге Африки и ее эквивалента в Западной Австралии». Докембрийские исследования . 79 (1–2): 3–24. Бибкод : 1996PreR...79....3C . дои : 10.1016/0301-9268(95)00085-2 .

[8] Зегерс, Т.Э.; де Вит, М.; Данн, Дж.; Уайт, С.Х. (1998). «Ваалбара, старейший собранный континент Земли? Комбинированный структурный, геохронологический и палеомагнитный тест». Терра Нова . 10 (5): 250–259. Бибкод : 1998TeNov..10..250Z . CiteSeerX 10.1.1.566.6728 . дои : 10.1046/j.1365-3121.1998.00199.x . S2CID 52261989 .

[9] Шопф, Дж.В.; Уолтер, MR (1983). «Архейские микроокаменелости: новые свидетельства существования древних микробов». В Шопфе, JW (ред.). Самая ранняя биосфера Земли . Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета. стр. 214–239.

[10] Бьюик, Р. (1984). «Углеродистые нити с Северного полюса, Западная Австралия: это ископаемые бактерии в архейских строматолитах?» (PDF) . Докембрийские исследования . 24 (2): 157–172. Бибкод : 1984PreR...24..157B . дои : 10.1016/0301-9268(84)90056-1 . Архивировано из оригинала (PDF) 25 апреля 2012 года.

[11] Омото, Х.; Какегава, Т.; Лоу, ДР (1993). «Биогенный пирит возрастом 3,4 миллиарда лет из Барбертона, Южная Африка: данные изотопа серы». Наука . 262 (5133): 555–557. Бибкод : 1993Sci...262..555O . дои : 10.1126/science.11539502 . ПМИД 11539502 .

[12] Филп, РП; Кальвин, М. (1976). «Возможное происхождение нерастворимых органических (керогенных) остатков в отложениях из нерастворимых материалов клеточных стенок водорослей и бактерий». Природа . 262 (5564): 134–136. Бибкод : 1976Natur.262..134P . дои : 10.1038/262134a0 . S2CID 42212699 .

[13] Тегелаар, EW; деЛеу, Дж.В.; Деренн, С.; Ларго, К. (1989). «Переоценка образования керогена». Geochimica et Cosmochimica Acta . 53 (11): 3103–3106. Бибкод : 1989GeCoA..53.3103T . дои : 10.1016/0016-7037(89)90191-9 .

[14] Олер, ДЗ; Роберт, Ф.; Мостефауи, С.; Мейбом, А.; Село, М.; Маккей, DS (2006). «Химическое картирование протерозойского органического вещества с субмикронным пространственным разрешением». Астробиология . 6 (6): 838–850. Бибкод : 2006AsBio...6..838O . дои : 10.1089/ast.2006.6.838 . hdl : 2060/20060028086 . ПМИД 17155884 .

[15] Шидловский, М.; Хейс, Дж. М.; Каплан, ИК (1983). Дж. В. Шопф (ред.). Ранняя биосфера Земли . Издательство Принстонского университета. стр. 149–186.

[16] Шидловски, М (1988). «Изотопная запись жизни углерода в осадочных породах за 3800 миллионов лет». Природа . 333 (6171): 313–318. Бибкод : 1988Natur.333..313S . дои : 10.1038/333313a0 . S2CID 4233179 .

[17] Байерли, Греция; Лоу, ДР; Уолш, М. (1986). «Строматолиты из супергруппы Свазиленда возрастом от 3300 до 3500 млн лет, Земля Барбертон-Маунтин, Южная Африка». Природа . 319 (6053): 489–491. Бибкод : 1986Natur.319..489B . дои : 10.1038/319489a0 . S2CID 4358045 .

[18] Оллвуд, А.; Камбер, бакалавр наук; Уолтер, MR; Берч, И.В.; Каник, И. (2010). «Микроэлементы отражают историю отложения раннеархейской строматолитовой карбонатной платформы» (PDF) . Химическая геология . 270 (1–4): 148–163. Бибкод : 2010ЧГео.270..148А . doi : 10.1016/j.chemgeo.2009.11.013 . Архивировано из оригинала (PDF) 25 апреля 2012 года . Проверено 18 ноября 2011 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]