Древнейшие бактерии архея не были сульфатредукторами

Лавовые архейские породы в Барбертоне в Южной Африке

Лавовые архейские породы в Барбертоне в Южной Африке; там осуществлялся проект по бурению баритовых слоев (Barberton Barite Drilling Project), в ходе которого были получены важные данные о древнейшей жизни. Изображение с сайта all-geo.org

Вниманию читателей, следящих за исследованиями древнейших следов жизни, предлагается статья французских геологов, опубликованная недавно в Nature Geoscience. Исследователи занимались вопросами фракционирования изотопов серы в древнейших породах планеты. Их выводы опровергают существующую точку зрения о том, что фракционирование изотопов серы имеет микробную природу. Они доказывают, что в архейские времена фракционирование серы происходило большей частью за счет физико-химических процессов в атмосфере и океане.

Французские ученые из Университета Париж Дидро (он же Университет Париж VII) и Центра петрографических и геохимических исследований обнародовали новые данные по изотопному составу серы в древнейших архейских породах Южной Африки в Барбертоне (см.: Archean life in the Barberton Greenstone Belt), чей возраст составляет 3,24–3,26 млрд лет. Эти пробы происходили из кернов знаменитых серий Онфервахт (Onverwacht series) и Фигтри (Fig Tree Series), которые содержат морфоструктуры, напоминающие различные микроорганизмы. Кроме того, исследовали заново и материал из известных архейских местонахождений с ископаемыми бактериями из западной Австралии: формации Дрессер (Dresser, 3,49 млрд лет) и Пилбара (Pilbara area, 3,24 млрд лет) и из Индии: группа Саргур, 3,25 млрд лет (см. о ней статью: Rollinson et al. Contrasting high and intermediate pressures of metamorphism in the Archaean Sargur Schists of southern India, 1981).

Идеология исследований состава изотопов серы из архейских пород в общем следующая. Имеется весьма большой набор данных по соотношению изотопов серы в сульфидах. Эти данные собраны из непрерывных геологических серий, так как сульфиды в породах того времени распространены повсеместно — ничего удивительного, ведь атмосфера и океан планеты были лишены свободного кислорода. Изотопный состав архейских сульфидов, согласно этим данным, характеризуется положительной корреляцией между 34S и 33S: сравнительное увеличение количества тяжелого изотопа 34S сопровождается и увеличением количества легкого изотопа 33S. Понятно, что сдвигаются и количества других изотопов серы. Предложены два механизма для объяснения сдвига изотопного состава серы: это масс-зависимое (см. обзор: Edward D. Young et al., 2002. Kinetic and equilibrium mass-dependent isotope fractionation laws in nature and their geochemical and cosmochemical significance) и масс-независимое (см. Mass-independent fractionation) фракционирование изотопов серы.

При первом из них происходит сортировка изотопов по массе из-за разной их подвижности. При этом баланс изотопов подчиняется строгому порядку. В частности, для серы 36S, 34S, 33S и 32S подсчитаны такие зависимости: δ33S ≈ 0,5·δ34S и δ36S ≈ 2·δ34S. Масс-независимое же фракционирование может происходить вследствие химических (например, фотолиза оксидов серы в атмосфере) или биологических процессов (микробы предпочитают работать с легкими изотопами, поэтому отходы их жизнедеятельности имеют облегченный изотопный состав). Те данные, что не укладываются в схему масс-зависимого фракционирования, считаются результатом масс-независимого фракционирования. Для архея масс-независимое фракционирование вызвало появление слоев с повышенным содержанием легких изотопов в сульфидах (см. рис. 1).

Компилированные данные по изотопии серы

Рис. 1. Компилированные данные по изотопии серы. По оси ординат на верхнем графике отложен сложно вычисляемый показатель типа фракционирования Δ33S (отношение 33S/32S; когда оно близко к нулю, фракционирование считается масс-зависимым, отклонения от него свидетельствуют о масс-независимом фракционировании); на нижнем графике по оси ординат δ34S обозначает отношение 34S/32S. Видно, что до 2,5 млрд лет назад происходило активное фракционирование изотопов с преобладанием масс-независимого фракционирования. Здесь совмещены данные по сульфидам и сульфатам, но в архее сульфатов ничтожное количество, так что они не влияют на общую картину. Изображение из обзора Farquhar et al. Geological constraints on the origin of oxygenic photosynthesis, 2011

Господствующая в настоящее время теория предполагает, что основная причина масс-независимого фракционирования — деятельность сульфатредукторов. Они предпочитают сульфаты с легкими изотопами, восстанавливают их и производят сульфиды с облегченным изотопным составом. В результате получается характерный архейский изотопный ряд — весьма специфичное для бескислородных условий соотношение изотопов 36S, 34S, 33S и 32S.

Что же касается сульфатов, то здесь картина иная. Во-первых, отложений сульфатов в архее очень мало. В бескислородных условиях сульфаты быстро восстанавливались, превращаясь в элементарную серу и сульфиды. На сегодняшний день известно всего три эпизода, когда в архее образовались сульфаты (бариты). Это события, произошедшие 3,5, 3,4 и 3,2 млрд лет назад, и они приурочены только к периодам извержения вулканов. Для сульфатов характерно низкое содержание легкого изотопа 33S и высокое — тяжелого 34S, диапазон аномалий (отклонений от соотношения этих изотопов в вулканической магме, которое точно установлено и одинаково по всей планете и потому принимается за ноль в подобных исследованиях) и того и другого изотопа крайне узок и несравним с таковым для серы в сульфидах. К тому же наблюдается обратная корреляция между соотношением 34S и 33S.

Большинство ученых сошлось во мнении, что эту особенность следует объяснять сильным эффектом масс-независимого бактериального фракционирования серы. Бактерии-сульфатредукторы — те, что восстанавливают окисленную серу до элементарной серы и сероводорода, — перерабатывали большую часть сульфатов с легким изотопом, оставляя практически нетронутой часть с тяжелым. Из вышесказанного следует, что в морях 3,5 млрд лет назад и позже вовсю работали сульфатредукторы, и что этот тип бактериального метаболизма доминировал в позднем архее. Хотя, конечно, некоторые ученые высказывали суждения о сильно ограниченном объеме сульфатредукции в это время (см., например, Itay Halevy, et al., 2010. Explaining the Structure of the Archean Mass-Independent Sulfur Isotope Record).

Однако французских геологов это объяснение не удовлетворяло. Оно строилось в основном на догадках и непротиворечивых гипотезах, а им нужны были доказательства. И они их получили, но совсем не те, о которых можно было бы предположить. С помощью дополнительных и надежных данных им как раз удалось доказать, что масс-независимое фракционирование обеспечили вовсе не сульфатредукторы. Это фракционирование оказалось связано с фотолизом сернистого газа, смешанного в разных пропорциях с нейтральным по изотопии мантийным материалом (см. рис. 2).

Разные сценарии фракционирования изотопов серы в архее

Рис. 2. Разные сценарии фракционирования изотопов серы в архее.
а — общепринятый сценарий. По этому сценарию сернистый газ поступал в атмосферу с вулканическими газами и там подвергался фотолизу; поскольку легкие изотопы вступают в реакции и разлагаются легче, чем тяжелые, складывается масс-зависимое фракционирование изотопов серы. Эти зависимости относительно строгие, соотношения между 36S,34S,33S и 32S при масс-зависимом фракционировании просчитаны. На картинке характерное для архея соотношение этих изотопов везде показано красной стрелкой (Archaean reference array). Зеленой стрелкой указано отклонение от этого соотношения при масс-независимом фракционировании, когда регистрируется недостаток тяжелых изотопов. Это результат включения серного биологического цикла.
b — сценарий, предложенный в данной работе. Согласно этому сценарию, аномальный изотопный ряд может быть сформирован в результате вулканической деятельности, когда выбросы с высоким содержанием сернистого газа формируют плотное облако, где фотолиз происходит в соответствии с интенсивностью проникающего сквозь это облако света. Здесь этот путь показан синими стрелками. Архейские данные прекрасно согласуются с данными по вулканическим выбросам кислых флюидов. Никакого микробного цикла не требуется.
Из синопсиса к обсуждаемой статье в Nature Geoscience

Их доказательство основывается на двух основных фактах. Первый из них — хорошо известная положительная корреляция между аномалиями 34S и 33S (см. рис. 3). Это свойство характерно практически для всех сульфидных проб в архее на всех континентах — точнее, не для всех, а для того большинства, которые отвечают породам основного и ультраосновного состава (см. магматические горные породы).

Данные по изотопным аномалиям серы в основных и ультраосновных породах

Рис. 3. Данные по изотопным аномалиям серы в основных и ультраосновных породах. Это компиляция информации по разным отложениям; данные по древнейшим местонахождениям формаций Дрессер и Барбертон выделены красным и зеленым цветом соответственно. В основных породах сульфатов нет. Корреляция очевидно положительная. Как и на предыдущих рисунках, точки, расположенные в районе оси абсцисс, говорят о масс-зависимом фракционировании, отклоняющиеся от этой оси — о масс-независимом. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Для кислых пород, к которым как раз относятся отложения с сульфатами, эта корреляция неожиданно оказалась обратной. Причем, как показали измерения, она обратная и для сульфидов, и для сульфатов из кислых пород, сульфаты поместились в крайнем положении этой корреляционной зависимости (см. рис. 4).

Изотопные соотношения серы в кислых вулканических породах

Рис. 4. Изотопные соотношения серы в кислых вулканических породах. Данные из различных местонахождений Австралии (формация Дрессер показана зеленым цветом), Южной Африки (формация Барбертон показана красным цветом), Индии. Пунктирной линией авторы показали аппроксимированный кислый вулканический ряд в противовес архейскому ряду на предыдущем рисунке. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Положительная корреляция отражает основные фотохимические свойства архейской атмосферы, так как признаки этой корреляции повсеместны и обычны. Отрицательная корреляция связана с особыми и эпизодическими состояниями архейской атмосферы. Изотопные данные из кислых вулканических пород показывают смешение серы из разных источников: из основных резервуаров, где происходит масс-зависимое фракционирование, и из атмосферных источников, где происходит масс-независимое фракционирование. Сульфаты вполне укладываются в эту схему. Авторы подчеркивают, что некоторые свойства данных по сульфатам (например, слабая положительная корреляция 34S и 33S на врезке рисунка 4) замечательно объясняются с помощью модели с перемешиванием серы из разных слоев атмосферы с разной прозрачностью. Если атмосфера полностью непрозрачна — выбросы очень густые или близко к нижним слоям атмосферы, — то остается только масс-зависимое фракционирование. Оно показано горизонтальной линией. В более высоких слоях облака вулканических выбросов преобладает масс-независимое фракционирование.

В эту модель с двойным набором отсортированных изотопов из основных и кислых пород уместились все имеющиеся данные архея — даже те, которые служили основой основ для суждений о биологическом фракционировании изотопов. Это означает, во-первых, что теперь нет повода считать сульфатредукцию доминирующим типом метаболизма в архее. Во-вторых, те суждения о древнейших следах жизни, которые основаны на изотопии серы, придется серьезно пересматривать. В-третьих, напрашивается более философский вывод, который касается общей идеологии работ по древнейшей жизни. В настоящий момент исследование архейских следов жизни только начинается, оно не имеет столь долгой истории, как изучение, к примеру, динозавров. Это новая и трудная область без отработанных приемов, и здесь нас ждут не только открытия, но и разочарования.

Эбен Роуз (Eben Rose), специалист по древней жизни из Йельского университета, хладнокровно заметил: «Все верили в микрофоссилии Шопфа из австралийских Верхних Сланцев (1987), пока Бразье не доказал (2002), что это остатки гидротермальной активности. Все верили Мойжишу с коллегами (1996), что в древнейших графитах Гренландии имеются следы бактериальной изотопии углерода, пока Федо и Уайтхаус (2002) не оспорили это: обсуждаемое местонахождение сложено вовсе не осадочными породами. А затем ван Зейлен и другие пробовали, но так и не смогли повторить результаты Мойжиша в серии работ. Все верили, что молекулярные биомаркеры могут сохраняться в архейских и протерозойских породах, и даже нашлись биомаркеры, свидетельствующие о существовании эукариот 2,7 млрд лет (Brocks and Summons, 2000), пока не обнаружилось, что образцы являются позднейшим загрязнением (Rasmussen et al. [including Brocks], 2007). Все верили, что S‑изотопы указывают на древнейшую — 3,5 млрд лет — сульфатредукцию (Shen et al., 2001), пока Филлипо с коллегами (2007) не показали, что сульфатредукция не объясняет многие детали изотопной летописи (той, что запечатлена в пиритовых микрогранулах), но всё же бактериальная сульфатредукция играла определенную роль в сортировке S‑изотопов. И вот теперь Филлипо вернулся к необъяснимым противоречиям в изотопных данных, использовав дополнительный, но аналогичный материал, и заявил, что изотопные аномалии не могут иметь бактериальное происхождение. Этот список не кончается, при том что существование той или иной установки тянется около 6 лет, а там обнаруживается, что заявленного не существует или оно совершенно неверно».1

Всё это означает, что на данной стадии исследований древнейших биот ученым, и тем более журналистам, стоит более критически относиться к интерпретациям полученных данных.

Источники:
1) Pascal Philippot, Mark van Zuilen, Claire Rollion-Bard. Variations in atmospheric sulphur chemistry on early Earth linked to volcanic activity // Nature Geoscience. 2012. V. 5. P. 668–674.
2) Boswell Wing. Archaean biogeochemistry: Unexpectedly abiotic // Nature Geoscience. 2012. V. 5. P. 598–599.

Елена Наймарк


1 Еveryone believed Schopf's microfossils in the Apex Chert (1987) until Brasier et al (2002) showed that they were hydrothermal relics. Everyone believed Mojszis et al's Akilia C-isotopes preserved in graphite encased phosphate (1996) until Fedo and Whitehouse (2002) argued that the very remote outcrop in question was not sedimentary at all, and until Van Zuilen and others in a string of papers tried but could not replicate Mojszis' results. Everyone believed that molecular biomarkers can be preserved from Paleoproterozoic and Archean rocks and show are reliable indicators of eukaryotes at ~2.7 Ga (Brocks and Summons, 2000) until these were shown to be diagenetic contaminants (Rasmussen et al [including Brocks] 2007).  Everyone believed that S-isotopes indicate the ~3.5 Ga antiquity of bacterial sulfate reduction (Shen et al 2001) until Phillippot et al (2007) showed that BSR could not explain the fine details of S-isotopic signature (as preserved in microscopic pyrite), but that such signatures surely indicate bacterial S-disproportionation. Now Phillippot et al (Sept 2012, NatureGeoscience) has revisited these details as supplemented by additional (but similar) data and proclaims that these signatures cannot be bacterial. The list goes on, with claims lasting about six years until it's found to be lacking or downright wrong.


21
Показать комментарии (21)
Свернуть комментарии (21)

  • Алексей Гиляров  | 29.09.2012 | 12:04 Ответить
    Предпоследний абзац, длинная цитата из работы Eben Rose, просто убийственна! Но, ОЧЕНЬ ЗДОРОВО, что Лена Наймарк ее тут целиком привела, дав и английский оригинал.
    Ответить
    • naimark > Алексей Гиляров | 29.09.2012 | 12:31 Ответить
      А чем же она убийственна? По-моему, так бывает в любом научной области. Просто нужно знать, что ученые, делающие реальную науку, четко понимают ситуацию.
      Ответить
      • Алексей Гиляров > naimark | 29.09.2012 | 12:58 Ответить
        УБИЙСТВЕННАЯ - в том смысле, что замечательная!Вообще всю эту новость сохраняю. Нужна для лекций!
        Ответить
      • feb7 > naimark | 29.09.2012 | 16:28 Ответить
        Тем, что использовано определение "хладнокровно". Невольно улыбает, особенно после прочтения довольно сложного (для меня) текста.
        Ответить
  • Скеп-тик  | 29.09.2012 | 20:31 Ответить
    Еще одно потверждение моей веры в то, что именно фотосинтез положил начало жизни на Земле. Хемосинтез становиться выгодным при наличии ГОТОВОЙ к употреблению органики, которую только перестраивают под свои нужды(кислородное дыхание - тоже форма хемосинтеза).
    А отсутствие следов кислорода в атмосфере - что жизнь на первоначальном этапе являлась "лужной", поскольку дождевая вода являлась менее агрессивной средой, чем крупные водоемы.
    Спасибо Елене Наймарк за находку.
    Ответить
    • Алексей Гиляров > Скеп-тик | 29.09.2012 | 22:33 Ответить
      Ну почему же - если есть выгодный донор и выгодный акцептор электронов, есть СО2, то хемосинтетиком (хемолитоавтотрофом) быть очень даже неплохо. Органика и создается при этом! А выделяющийся кислород крайне опасен. С ним осторожнее надо быть...
      Ответить
      • Скеп-тик > Алексей Гиляров | 30.09.2012 | 18:40 Ответить
        Смущает количество необходимых доноров.Для простейшего сахара - три и более. Для аминокислоты - не меньше десятка. для полноценного белка - сотня. Если фотон невесом и хлорофилл может выдать десять электронов в секунду, при извлечении энергии из сульфидов и сульфатов надо обеспечить транспортировку сотен молекул с молярной массой 30-100 к каталитическим центрам, а потом утилизировать отходы.
        Ответить
      • olegov > Алексей Гиляров | 01.10.2012 | 10:47 Ответить
        Не соглашусь, все хемосинтетики имеют предшественников фотосинтетиков. Чтобы запустить гликолизный цикл надо иметь постоянный источник энергии на органической основе, неорганические источники энергии вроде сульфатов не подходят. Исходные гиперциклы клетки не предполагают участия кислорода и СО2. Это явно более позднее приобретение.

        Так что именно фотосинтетики - запасание энергии УФ-квантов в АДФ идеальный источник энергии. А если фотосинтетики то непрозрачная атмосфера сдвигает образование жизни позднее, что косвенно эта статья и демонстрирует.
        Ответить
        • Malcolm > olegov | 01.10.2012 | 19:51 Ответить
          Вы таки уверены, что на молодой земле не было проблем со светом?
          Ответить
          • Скеп-тик > Malcolm | 01.10.2012 | 21:45 Ответить
            С красным светом, на котором работает хлорофилл - никаких проблем. Клянусь Венерой!!!
            Ответить
          • olegov > Malcolm | 01.10.2012 | 22:23 Ответить
            Так если и были проблемы эта статья лишь подтверждает сдвигая жизнь дальше по временной шкале. Т.е. от агрессивных условий к более мягким. SO2 весьма реакционно способная молекула, способная уничтожить все гиперциклы клетки до того как она научится его усваивать. А вообще реакция превращеия АДФ в АТФ идет под действием ультрафиолета. Не знаю насколько вулканические выбросы его поглощают, но сквозь облака он проходит.
            Ответить
    • olegov > Скеп-тик | 01.10.2012 | 10:51 Ответить
      Даже не лужной, а скорее окологейзерных водоемов, т.е. луж в которые поступает необходимая органика и есть все минералы необходимые для абиогенеза. Хемофотосинтез породил необходимую органику и хемофотосинтез дал энергию первым превращениям и гиперциклам.
      Ответить
      • Скеп-тик > olegov | 01.10.2012 | 21:58 Ответить
        Почему-то американские, французкие и японские популяризаторы науки забывают, что вода на суше ВСЯ дождевая. До гейзеров под землй она проводит от года до 20 лет. Лишь пара артезианских регионов имеет цикл в одну-две тысячи лет. Поэтому концепция Земли-снежка считаю глупостью. Все источники на суше высохнут, жизни негде будет спасаться. И ледников не будет. Только иней в предрассветные часы.
        Марс, короче.
        Ответить
        • olegov > Скеп-тик | 01.10.2012 | 22:13 Ответить
          Гейзер в данном случае рассматривается как источник газов и минералов, а вода вполне может быть дождевая, тем более что чередование циклов высыхание-увлажнение есть залог развития гетерогенных процессов. Под водой сложная органика неминуемо гидролизуется.
          Ответить
  • Кирилл_90  | 02.10.2012 | 17:27 Ответить
    Весьма интересно. Спасибо за новость!
    Ответить
  • Sorrybeinglate  | 03.10.2012 | 12:58 Ответить
    А скажите, кто разбирается, это же не значит, что бактерий тогда не было? В статье говориться что группу аргументов связанных с сульфатредукцией придётся пересмотреть - а есть другие? Археи были в Архее?
    Ответить
    • Combinator > Sorrybeinglate | 03.10.2012 | 20:04 Ответить
      Про архей точно не известно. Моё мнение - скорее всего нет.
      Ответить
      • Sorrybeinglate > Combinator | 05.10.2012 | 10:36 Ответить
        Спасибо!
        Ответить
  • Combinator  | 03.10.2012 | 20:06 Ответить
    Елена, спасибо за статью. Наконец-то начали признавать очевидное - свидетельств жизни на Земле в породах старше 3.5 млрд. лет на данный момент нет!
    Ответить
    • naimark > Combinator | 04.10.2012 | 20:03 Ответить
      Пока не начали. И не очевидное - я бы не стала употреблять именно это сильное слово, скорее, вполне возможное. Я думаю, что по этому поводу в ближайшие 5 лет развернется научная битва. И та и другая стороны обладают аргументами за и против, и у тех и у других имеются знатные козыри в рукавах. Вот эти-то козыри и пойдут в ход. Тут главное слушать, не кто громче кричит (публикует, выступает, мелькает в ящике), а кто дело говорит.
      Ответить
      • Combinator > naimark | 04.10.2012 | 20:52 Ответить
        Согласен, про "очевидное" это скорее моя личная эмоциональная оценка. )) Тем не менее, факт остаётся фактом - из пород старше 3.5 млрд. лет есть только 2 сайта в которых обнаружены породы с облегчённым углеродом (оба в формации Исуя), причём в одном случае доказано, что порода не осадочная, а по другому несколько лет назад вышла статья, что фракция с облегчённым ураном не принадлежит исходной породе, а, видимо, просочилась туда позже из вышележащих слоёв. Опровержения от авторов исходной статьи, насколько мне известно, не последовало. Ни отпечатков бактерий, ни остатков бактериальных матов возрастом более 3.5 млрд. лет, на сегодняшний день, вроде бы, тоже не обнаружено.
        В любом случае, интересно будет следить за развитием ситуации.
        Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»