Rola mikroorganizmów w ewolucji biosfery i procesie litogenezy - prof Kazmierczak, artykuły naukowe z sieci
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Rola mikroorganizmów w ewolucji biosfery i procesie litogenezy
Prof. dr hab. Józef Ka
ź
mierczak, Zakład Biogeologii Instytutu Paleobiologii PAN,
Warszawa
W ramach tematu Subsydium realizowane były przeze mnie i stypendystów,
dr Michała Gradzi
ń
skiego
(Uniwersytet Jagielloński) i
mgr Barbar
ę
Kremer
(Instytut Paleobiologii PAN), trzy zadania badawcze:
1. Współczesne maty cyjanobakteryjne kluczem do poznania genezy i
ś
rodowisk
mikrobialitów sinicowych (=cyjanobakteryjnych) z geologicznej przeszło
ś
ci Ziemi.
2. Współczesne ziemskie odpowiedniki przypuszczalnych bakteryjnych struktur
z marsja
ń
skiego meteorytu ALH 84001.
3. Biogeologiczne aspekty ewolucji planktonu akritarchowego w morzach prekambru
i paleozoiku.
Opracowana w ramach subsydium tematyka badawcza mieści się w obrębie
nowej, ukształtowanej dopiero na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych
ubiegłego wieku, wybitnie interdyscyplinarnej dziedziny nauk przyrodniczych
określanej mianem
biogeologii
lub
geobiologii
. Ta dynamicznie rozwijająca się
w czołowych ośrodkach przyrodniczych zagranicą, a wyraźnie zapóźniona w Polsce
dziedzina, operuje na styku szeroko pojmowanych nauk o Ŝyciu i nauk o Ziemi.
Integruje ona osiągnięcia wielu odległych od siebie specjalistycznych nauk
przyrodniczych, jak geologia, paleontologia, ekologia, fizjologia, biologia komórki,
mikrobiologia, biologia molekularna, geofizyka, sedymentologia, geochemia, chemia
izotopowa, oceanografia, limnologia i meteorologia. Biogeologia, jako wyodrębniona
dyscyplina nauk przyrodniczych, narodziła się w Stanach Zjednoczonych. Impulsem
do jej utworzenia był apel amerykańskiego geochemika, W.P. Woodringa, skierowany
do czołowych uczonych, nawołujący do opracowania programu badawczego
integrującego naukę. Patronat nad tym programem objęła
National Academy of
Sciences U.S.
W pierwszej kolejności podjęta została próba odpowiedzi na
podstawowe pytania dotyczące początków Ŝycia na Ziemi, to jest jego narodzin
i wczesnej ewolucji. Szybko stało się teŜ jasne, Ŝe zagadnienia te mogą być
rozpatrywane jedynie w kontekście interakcji biosfery z litosferą, hydrosferą
i atmosferą, a więc na tle ewolucji geologicznej Ziemi i innych planet Systemu
Słonecznego. Rezultatem podjęcia tego ambitnego programu były nie tylko narodziny
biogeologii, lecz przede wszystkim trwająca do dziś fala interdyscyplinarnych
projektów badawczych, których ukoronowaniem jest znany międzynarodowy program
środowiskowy
Global Change
. Szczególne sukcesy badania biogeologiczne odniosły
w opracowaniu modeli ewolucji wczesnej biosfery na tle geologicznej i geochemicznej
ewolucji Ziemi. Stanowią one dziś podstawę badań nie tylko nad ewolucją Ŝycia
w prekambrze, lecz przede wszystkim nad mechanizmami prowadzącymi do wielkich
innowacji biologicznych, w odniesieniu do czasu geologicznego i planetarnych zmian
środowiska, w tym szczególnie ewolucji chemicznej oceanu i atmosfery.
Głównym celem moich badań było wyjaśnianie hydrochemicznych
i geochemicznych uwarunkowań występowania kopalnych, zwapniałych mat
cyjanobakteryjnych, w celu wykorzystania tych biostruktur jako potencjalnego klucza
do zrozumienia chemicznej i biotycznej ewolucji wczesnego oceanu Ziemi, w okresie
poprzedzającym pojawienie się wyŜej rozwiniętych, makroskopowych form Ŝycia.
Podstawowym zatem celem moich badań, prowadzonych przy wsparciu środkami
Subsydium, było szczegółowe porównanie współczesnych i kopalnych mikrobialitów
cyjanobakteryjnych róŜnego wieku geologicznego (Ryc. 1). Zakładałem przy tym, Ŝe
wyniki moich badań pozwolą na lepsze niŜ dotychczas wykorzystanie mikrobialitów
kopalnych, występujących często masowo w zapisie litologicznym dawnych
zbiorników morskich (szczególnie prekambryjskich), dla celów rekonstrukcji dawnych
środowisk Ŝycia. Podstawę tych badań stanowiły: (
1
) dzisiejsze mikrobiality i
obserwacje hydrochemiczne w środowiskach ich występowania zebrane przeze mnie
w 1998 r. w czasie uczestnictwa w Niemiecko-Polskiej Ekspedycji Geologicznej na
wyspę Niuafo’ou w Królestwie Tonga (Południowy Pacyfik) oraz (
2
) kultury morskich
mat cyjanobakteryjnych z Øresundu (Dania), hodowane w Stacji Biologii Morza
Uniwersytetu Kopenhaskiego w Helsingoer i udostępnione mi wraz z kompletem
danych mikrobiologicznych i ekofizjochemicznych, w celu zbadania występujących w
nich polimorfów mineralnych i postaci węglanu wapnia.
Ryc. 1.
A
: Mikrostromatolit wapienny, częściowo wtórnie skrzemionkowany,
z późnego archaiku (2,58 mld lat) Afryki Południowej.
B
: Sferyczne obiekty
zachowane w niektórych laminach tego stromatolitu (wskazane strzałką na
A
)
reprezentują pozostałości mikroorganizmów podobnych do dzisiejszych kokoidalnych
sinic (cyjanobakterii).
C
: Podobnie wtórnie skrzemionkowany dzisiejszy
mikrostromatolit wapienny z kraterowego alkalicznego jeziora wyspy Satonda
(środkowa Indonezja), utworzony takŜe przez kokoidalne sinice (
D
), bardzo podobne
do form z późnego archaiku (
B
) .
Temat Subsydium stanowił kontynuację prowadzonych przeze mnie od ponad
15 lat, wspólnych z geochemikami niemieckimi badań nad współczesnymi quasi-
morskimi basenami, jako środowiskami modelowymi do odtwarzania
hydrochemicznych warunków sprzyjających masowemu powstawaniu mikrobialnych
struktur sedymentacyjnych w morzach geologicznej przeszłości Ziemi (szczególnie
w okresie prekambru). NajwaŜniejszym wynikiem tej współpracy było opracowanie
koncepcji ewolucji chemicznej wczesnego oceanu i wskazanie znaczenia tego
procesu dla wyjaśnienia głównych faz ewolucji wczesnej biosfery i organizacji
systemów Ŝywych (Kempe & Kaźmierczak, 1994). Koncepcja ta zakłada wysoko
zasadowy (pH > 9) odczyn wczesnoprekambryjskiego oceanu i jego skład chemiczny
zbliŜony do tego, jaki cechuje dzisiejsze alkaliczne jeziora, występujące z reguły na
obszarach wulkanicznych (tzw. jeziora sodowe). Potwierdzenie poprawności tej
koncepcji wymagało udowodnienia występowania wapniejących mat
cyjanobakteryjnych podobnych do tych znanych z osadów prekambryjskich
w dzisiejszych alkalicznych środowiskach wodnych.
Kluczem do wyjaśnienia chemicznej i biotycznej ewolucji wczesnego oceanu
są zatem wapienne lub dolomitowe, często wtórnie skrzemionkowane,
sedymentacyjne struktury mikrobialne zwane
stromatolitami.
Są to jedyne
makroskopowe skamieniałości znane z osadów wczesnego prekambru. Stromatolity
prekambryjskie uznaje się powszechnie za wytwór bentosowych mat, złoŜonych
głównie z sinic (cyjanobakterii), które ze zmienną periodycznie intensywnością
wychwytywały z wody zawiesinę mineralną lub wytrącały minerały, głównie
węglanowe, w otoczeniu komórek na drodze fizjochemicznej. Bentosowe
cyjanobakterie są częste w dzisiejszych morzach, nie tworzą w nich jednak struktur
sedymentacyjnych porównywalnych z kopalnymi morskimi stromatolitami. Nowe
badania wskazują, Ŝe dzisiejsze morskie stromatolity opisane z płytkich zatok
zachodniej Australii (Shark Bay) i Bahamów (Exuma Sound), przez długi czas
powszechnie uwaŜane za odpowiedniki stromatolitów prekambryjskich, róŜnią się
jednak od nich zasadniczo budową wewnętrzną i składem mineralnym.
Wapienne mikrobiality odkryte przez nas w sodowym jeziorze Wan
(wschodnia Anatolia) i kraterowym jeziorze wyspy Satonda koło Sumbawy (środkowa
Indonezja) są pierwszymi dzisiejszymi stromatolitami w pełni porównywalnymi ze
stromatolitami prekambryjskimi, tak pod względem mikrobiologicznym, jaki
i mineralogicznym. Szczegółowe zbadanie ich budowy oraz czynników
hydrochemicznych kontrolujących ich wzrost pozwoli niewątpliwie rzucić nowe
światło na problem morfogenezy stromatolitów prekambryjskich i charakter środowisk
ich występowania. PoniewaŜ cyjanobakterie i budowane przez nie struktury
stromatolitowe są wraŜliwe na zmiany niektórych czynników fizykochemicznych
środowiska, moŜna przyjąć załoŜenie, Ŝe rozpoznanie tych czynników moŜe stworzyć
przesłanki do zrozumienia charakteru zmian w dawnych środowiskach morskich.
Dlatego teŜ istotną częścią moich badań w ramach Subsydium była analiza
morfogenezy współczesnych mikrobialitów hodowanych w Stacji Morskiej
Uniwersytetu Kopenhaskiego w Helsingør. Maty te zostały szczegółowo zbadane
pod względem mikrobiologicznym i ekofizjologicznym (z zastosowaniem najnowszej
techniki mikrosensorowej), przez zespół pod kierownictwem znanego duńskiego
mikrobiologa i biogeochemika, prof. Toma Fenchela. Tworzą one mikro-ekosystem
złoŜony z producentów, w skład którego wchodzą cyjanobakterie i okrzemki oraz
destruenci, którymi są fototroficzne bakterie (purpurowe i zielone). W kultywowanych
matach z Øresundu wytrącane są róŜne polimorfy węglanu wapnia. Ich
wszechstronne zbadanie pod względem chemicznym, krystalograficznym
i izotopowym ma istotne znaczenie dla wyjaśnienia mechanizmu wapnienia mat
cyjanobakteryjnych w dawnych zbiornikach morskich, w których maty takie
przyczyniły się przypuszczalnie do utworzenia ogromnych mas osadów
węglanowych, o znaczącym wpływie na planetarny cykl obiegu węgla. Do analizy
polimorfów CaCO
3
z mat Øresundu zastosowano skaningowy mikroskop elektronowy
(SEM), dyfraktografię rentgenograficzną (XRD), mikrosondę elektronową (EDS)
i pomiar stosunku izotopów trwałych węgla i tlenu (δ
13
C, δ
18
O). Wyniki tych analiz,
połączone z analizą mikrosensorową profilu hydrochemicznego maty i jej systemu
węglanowego, pozwoliły precyzyjnie określić minimalne nasycenie węglanem wapnia
mat i ich otoczenia, jakie jest niezbędne do wytrącania w nich CaCO
3
. Opracowanie
tego rodzaju pozwoliło lepiej niŜ dotychczas objaśnić morfogenezę i geochemiczne
uwarunkowania występowania zwapniałych mat sinicowych w róŜnych środowiskach,
a co za tym idzie lepiej wykorzystać te struktury jako klucz do zrozumienia zmian
składu chemicznego dawnych mórz.
W celu dokładnego określenia warunków sprzyjających masowemu pojawianiu
się wapiennych mat cyjanobakteryjnych w morzach przeszłości geologicznej Ziemi
opracowałem we współpracy z biogeochemikiem niemieckim, prof. Stephanem
Kempe (Technische Universität Darmstadt) model zmian środowiska chemicznego
kraterowych jezior. Został on przygotowany w oparciu o liczne analizy próbek wody
pobranych w czasie ekspedycji oraz na podstawie analizy rozkładu stosunków
trwałych izotopów węgla i tlenu w profilach wzrostowych stromatolitów
.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]