Свойство бактериальных матов накапливать калий поможет искать следы древней жизни

Традиционные геохимические методы обнаружения следов жизни в древних породах основаны на анализе изотопов углерода, серы и азота. Однако доказать биогенное происхождение этих элементов в породах обычно бывает непросто. Ученые, работающие с раннепротерозойскими отложениями формации Франсвиль (Габон), содержащими структуры древних бактериальных матов, предложили новый метод, в котором в качестве маркера биогенного происхождения пород используется калий. Метод основан на том, что микробные биопленки улавливали калий из морской воды и способствовали его накоплению в глинистых минералах, которые были захоронены на дне древнего моря.

Раннепротерозойская формация черных сланцев Франсвиль (возраст 2,1 млрд лет) в юго-восточной части Габона давно привлекает внимание ученых находками остатков самых древних на Земле многоклеточных (франсвильская биота). Более десяти лет здесь ведет работы группа палеонтологов под руководством Абдерразака Эль Албани (Abderrazak El Albani) из Университета Пуатье во Франции. «Элементы» уже не раз писали об их интересных находках и о спорах, возникающих вокруг этих находок (см.: Прелюдия истинной многоклеточности или ранние эволюционные эксперименты? «Элементы», 12.03.2019; Многоклеточные организмы, возможно, появились свыше 2 млрд лет назад, «Элементы», 12.07.2010).

В этот раз Абдерразак Эль Албани и Жереми Обино из Университета Пуатье вместе со своими коллегами из Франции, США и Канады в статье, опубликованной в журнале Nature Communications, сообщают не о новых находках древних микроорганизмов, а о новом геохимическом методе обнаружения следов жизни в древних осадочных породах, использующем в качестве биогенного маркера высокие концентрации калия.

Породы формации Франсвиль содержат слоистые структуры, строение которых указывает на то, что они являются остатки древних бактериальных матов. Авторы назвали их MRS (mat-related structures — структуры, связанные с матами, рис. 1). Изучая эти структуры, ученые обнаружили, что высокое содержание калия приурочено именно к этим слоям древних биопленок и отсутствуют во вмещающих песчаниках и черных сланцах. Калий входит в состав минерала иллита, чешуйки которого широко представлены в слоях MRS (рис. 2). Иллит входит в группу гидрослюд, относящихся с точки зрения кристаллографии к слоистым (листовым) силикатам. Катионы, в том числе К⁺ легко входят в состав гидрослюд, образуя катионные связи между слоями их кристаллической решетки.

Иллит возникает в процессе иллитизации — преобразования глинистых минералов группы смектита, присутствующих в первичном глинистом осадке на дне моря, под действием диагенетических процессов — цементации осадка и его обезвоживания. В процессе иллитизации при наличии в среде диагенеза катиона К⁺ он заполняет пустоты между гидратированными слоями смектита, так как ионный радиус К⁺позволяет ему входить в структуру минерала.

Тот факт, что иллитизированные чешуйки смектита были приурочены только к слоям древних биопленок, а в окружающих породах смектит присутствовал в неизмененном виде, заставил ученых предположить, что К⁺, при наличии которого смектит переходит в иллит, являлся продуктом жизнедеятельности древних организмов.

Геохимический анализ показал более высокие отношения K₂O/SiO₂ для MRS (как для обогащенных пиритом, расположенных в толще черных сланцев, так и для непиритизированных, находящихся в основании толщи песчаников) по сравнению с вмещающими их породами (рис. 3).

Сканирование образцов методом синхротронной рентгеновской флуоресцентной микроскопии (XFM) проводилось на синхротроне SOLEIL во Франции. В результате были получены карты распределения нескольких химических элементов (S, K, Ca, Ba, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge и As) в образцах микронного масштаба. Наиболее показательны результаты для серы (S) и калия (K), показанные на рис. 4.

Приуроченность повышенных содержаний калия к микрослоям непиритизированных MRS (древним биопленкам) и межзерновому пространству между зернами пирита в пиритизированных MRS была подтверждена также с помощью методов рентгеноструктурного анализа и просвечивающей электронной микроскопии.

По мнению авторов, выявленные закономерности распределения калия на микроуровне указывают на то, что источником К⁺ для процесса иллитизации могли быть только микроорганизмы микробных матов. Никакой внешний абиотический источник не мог бы обеспечить обогащенность калием только тканей биопленок толщиной несколько мкм, в то время как вмещающие породы оставались свободными от калия. К тому же во вмещающих породах практически полностью отсутствует калиевый полевой шпат, который обычно рассматривают в качестве вероятного источника абиогенного калия.

Микроорганизмы при этом играли двоякую роль. Во-первых, они способствовали трансформации глинистых минералов в процессе диссимиляционного восстановления железа, а именно — биогенному высвобождению Fe (III) из решетки смектита и осаждению Fe (II) в поровых водах осадка. Данный процесс приводит к возникновению отрицательного заряда у листов кристаллической решетки смектита и поглощению К⁺ с его локализацией в межслойных пространствах, чтобы уравновесить общий структурный заряд (см. K. Konhauser, M. Urrutia, 1999. Bacterial clay authigenesis: a common biogeochemical process). Во-вторых, они являлись источником этого самого К⁺, так как калий — один из важнейших катионов микроорганизмов, который они накапливают из морской воды.

Микроструктурные признаки (волокнистость, наличие всплывающих пузырьков газа) свидетельствуют о том, что MRS — это, скорее всего, древние цианобактериальные маты. Различия между пиритизированными и непиритизированными MRS могут отражать различия в условиях среды — наличие или отсутствие сульфидных поровых вод. Это могло быть связано с разной скоростью осаждения или разными условиями глубины отложения и температуры, а также с меньшим количеством реакционноспособного железа в зонах формирования непиритизированных MRS.

Авторы подчеркивают, что выявленный ими механизм бактериально усиленной иллитизации не только является новым методом поисков следов древней жизни, но и может стать ключом к пониманию палеоклиматической картины докембрия. В то время, когда площадь материков до 2,5 млрд лет назад была незначительна, а бактериальные маты были весьма распространены, микроорганизмы могли играть существенную роль в удалении К⁺ как из морской воды, так и из продуктов континентального сноса. Конверсия смектита в иллит в целом происходит по схеме: смектит + K⁺ → иллит + катионы (Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺) + Si(OH)₄. Дальнейший процесс образования аутигенных глин, включающий реакцию Si(OH)₄ + (K⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Al³⁺) + HCO³⁻ → глинистый минерал + CO₂ + H₂О, сродни современному процессу обратного выветривания (reverse weathering, выброс CO₂в результате поглощения гидрокарбоната в процессе формирования морских аутигенных глин), оказывающему влияние на глобальные циклы углерода и кремния.

Недавно было обнаружено, что обратное выветривание было важным фактором долгосрочной стабилизации pH морской воды и глобального климата в докембрии (T. Isson, N. Planavsky, 2018. Reverse weathering as a long-term stabilizer of marine pH and planetary climate). Таким образом биогенную иллитизацию можно рассматривать как ранее неизвестный фактор контроля pH морской воды и содержания CO₂ в атмосфере, связанный с жизнедеятельностью микроорганизмов.

Источник: Jérémie Aubineau, Abderrazak El Albani, Andrey Bekker, Andrea Somogyi, Olabode M. Bankole, Roberto Macchiarelli, Alain Meunier, Armelle Riboulleau, Jean-Yves Reynaud, Kurt O. Konhauser. Microbially induced potassium enrichment in Paleoproterozoic shales and implications for reverse weathering on early Earth // Nature Communications. 2019. № 10. DOI: 10.1038/s41467-019-10620-3.

Владислав Стрекопытов