說到在地質歷史上留下持久的印象，介質起著至關重要的作用，尤其是在地球的古海洋中。在太古宙(4000 - 2500萬年前)和元古代(2500 - 5.41億年前)，大氣和海洋中的氧氣含量遠低于今天，沉積巖礦物以微生物群落創(chuàng)造的精細結構形式保存了生物活動特征。

這些巖石形成的環(huán)境條件決定了晶體結構的形成——越有序、越細粒度，保存得越好。了解并更好地復制這些古老礦物的生長方式，可以提供有關地球過去環(huán)境的信息，以及生物體如何發(fā)展和表現(xiàn)的信息。

到目前為止，這些含化石的巖石中有一塊已經被證明很難在實驗室中復制。麻省理工學院(MIT)和普林斯頓大學(Princeton University)研究人員發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以在實驗室里模擬遠古地球的一部分，方法是復制這些耐候性強、攜帶信息的礦物質之一白云石。白云石的形成長期困擾著科學家。白云石是一種與石灰石密切相關的礦物，而且可以從石灰石中產生，白云石在過去是普遍存在的；然而，研究人員很少在現(xiàn)代環(huán)境中發(fā)現(xiàn)它。雖然它是由通常在海水中發(fā)現(xiàn)的成分產生，但存在著物理和動力學障礙，阻止了碳酸鈣(CO3-2)離子與鈣和鎂交替中心原子形成白云巖層。

另外，研究報告了原白云巖（一種晶體結構紊亂的巖石，只發(fā)生在非常咸的現(xiàn)代環(huán)境中）但是這種礦物不能像它更有序的兄弟那樣保存同樣精細的微生物結構。要尋找遠古生命和古老過程的證據，必須研究微生物結構。這就是信息所在。麻省理工學院地球、大氣和行星科學系副教授Tanja Bosak說：其中一些信息以非常細粒度的白云巖的形式保存下來，幾乎隨著微生物的生長而沉淀下來。團隊利用實驗地球生物學來探索微生物系統(tǒng)中的現(xiàn)代生物地球化學和沉積過程，并解釋早期地球上的生命記錄。

然而，隨著時間的推移，在許多微生物結構中存在著一個關于細粒白云巖起源的大問題：在地球表面條件下，沒有明確的方法來形成白云巖。其研究結果發(fā)表在《地質學報告》上，這是有序白云巖的首次形成。發(fā)現(xiàn)，捕捉這些紋理的訣竅可能是錳離子、海水、光線以及無氧環(huán)境中厭氧、硫代謝、光合微生物的生物膜。該研究的共同作者是前EAPS博士后Mirna Daye和普林斯頓大學副教授John Higgins。

白云巖問題與秩序的重要性

自從18世紀在意大利北部的白云巖山區(qū)首次發(fā)現(xiàn)白云巖以來，科學家們一直為白云巖是如何形成的，以及為什么現(xiàn)代有如此多的古代白云巖，而這種礦物卻如此之少而感到困惑，這個問題被稱為“白云石問題”?？茖W家們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代白云巖的形成主要有兩種方式：當淺而高鹽的海水被加熱時，當石灰?guī)r遇到富含鎂的水時，就會沉淀下來，就像被海水溶液侵入的暗礁一樣。然而，這兩種方法都產生了大晶體，掩蓋了許多生物信息。然而，在現(xiàn)代海水中，文石和方解石(碳酸鈣的不同晶體結構)比白云石更容易析出。

如果把燒杯里的海水加熱到很高的溫度，制造白云石并不難，但是你永遠不會在地球表面的溫度和壓力下得到白云石。鎂很難進入礦物質中，它并不想進入晶格。這只是整體情況的一部分。此外，這些機制沒有解釋在保存這些結構的太古代和元古代時期所見到的礦物變化(錳或富鐵白云巖)。可以看到海水相對于白云石是飽和的，(但)它就是不形成，因此存在一些動力學障礙。直到20世紀初，一位俄羅斯微生物學家才證明厭氧菌有可能從海水中的礦物質中形成白云石，這個過程被稱為生物礦化。

從那時起，研究人員發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)代環(huán)境中，含有光合作用微生物的生物膜和它們?yōu)樽约旱募?外聚物)排出的黏稠有機基質(外聚物)在高度蒸發(fā)的鹽水池中可以提供白云石成核和生長的表面。然而，這些生物膜不是光合作用。相比之下，許多在氧氣上升之前被保存下來的微生物結構在含鹽量較低的海洋環(huán)境中生長，被認為是由光合微生物群落產生。此外，過去被認為參與這一過程的離子和微生物位置可能有所不同。過去的微生物依靠硫化物、氫或鐵離子進行光合作用。

研究人員懷疑，20多億年前，錳和鐵離子存在于海洋沉積物甚至水柱中。今天，由于有氧氣的大氣，它們被深埋在沉積物中，在那里可以發(fā)生厭氧條件。然而，缺少陽光意味著微生物席不能在這里生長，白云石也不能。雖然微生物參與的建議是解決白云石問題的一個強有力步驟，但微生物在陽光照射下的海洋區(qū)域定居沉積物的晶體排列和形成問題仍然沒有解決。

再造“重建”過去

在研究早期沉積學保存的同時，該小組進行了一系列實驗，在厭氧大氣中復制了這些古代海洋的條件。他們將現(xiàn)代生物膜、明暗環(huán)境和經過改造的海水結合起來，模擬有錳和無錳的早期地球環(huán)境。錳是礦物質中常見的一種金屬，被認為有助于細菌生長。研究人員使用的微生物來自紐約北部的一個湖泊，來自缺氧的深處。在實驗中，研究人員注意到一些意想不到的事情（生物膜中最豐富的礦物質是高度有序的白云石，而產生最多光合作用微生物和錳的小瓶）這一結果與現(xiàn)場報道一致。

當這些墊子朝著光的方向生長時，它們上面積累了晶體，最古老的在底部捕獲微小的擺動，而現(xiàn)在降解的微生物墊子曾經在那里。覆蓋范圍越廣，孔隙度就越小，這就減少了流體滲入巖石、與礦物相互作用和溶解，并基本上消除了數據的可能性。缺錳或在黑暗中(不進行光合作用)進行的實驗發(fā)育出無序的白云巖。不清楚錳和微生物為什么會產生這種影響，但似乎確實如此。這幾乎是那種情況的自然結果，盡管如此，這是一件大事，表明這是可以實現(xiàn)的?，F(xiàn)在研究小組已經找到了一種制造有序白云石的方法，他們計劃研究為什么它會形成、變化，以及巖石如何記錄它形成的環(huán)境條件。

在看到錳對白云巖的影響后，研究人員將研究鐵離子，它們整合在這些古老的巖石中。不管出于什么原因，鐵似乎也能促進鎂融入這種礦物質的形成。研究團隊還將研究獨特的微生物相互作用和物理特性，以了解沉淀白云巖所必需的成分。每個厭氧生物所占據的個體壁龕似乎有助于群落的生長、循環(huán)元素、降解物質，并為晶體提供一個表面。研究小組將在相同或不同的環(huán)境條件下把各種生物化石化，看看它們是否能產生白云石。在這些實驗中，他們將監(jiān)測白云石記錄溫度的好壞，以及周圍溶液的化學和同位素組成，以便更好地了解這一過程。

博科園-科學科普｜研究/來自: 麻省理工學院/Lauren Hinkel

參考期刊文獻:《Geology》

DOI: 10.1130/G45821.1

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