Окаменелые пузырьки кислорода

На фото — фрагмент строматолитовой постройки возрастом 1,6 млрд лет. Сама порода — это литифицированные (окаменелые) бактериальные маты, а круглые пустоты в ней — запечатанные в камне пузырьки кислорода. Эти пузырьки — свидетельство жизнедеятельности древних цианобактерий, благодаря которым на Земле появился первый свободный кислород.

Цианобактерии — единственные бактерии, способные к оксигенному фотосинтезу, то есть фотосинтезу, который сопровождается выделением кислорода. Именно они необратимо изменили облик Земли, так как были ответственны за насыщение атмосферы кислородом. Еще один продукт жизнедеятельности цианобактерий — строматолиты, ставшие древнейшими биогенными образованиями на Земле.

Образец, представленный на фото, найден в Центральной Индии, среди палеопротерозойских пород комплексов Виндхья и Аравали. Это комплексы пород, сформировавшихся в прибрежных мелководных водоемах высокой солености, аналогичных тем, что существуют сегодня в заливе Шарк в Австралии, где находится крупнейшее скопление современных строматолитов — карбонатных образований, сформированных наслаивающимися друг на друга цианобактериальными матами. Сейчас строматолиты встречаются на планете крайне редко, а в докембрии они были распространены очень широко.

Современные строматолиты в заливе Шарк в Западной Австралии. Фото с сайта ru.wikipedia.org

Некоторые из древних строматолитов содержат множество сферических полостей, которые интерпретируются учеными как окаменелые пузырьки кислорода, задержавшиеся в толще бактериальных матов. В отличие от большинства строматолитовых построек того времени, сложенных карбонатным материалом, строматолиты комплексов Виндхья и Аравали наряду с доломитом (CaMg(CO₃)₂) содержат большое количество фосфатов, представленных нитевидным апатитом (Са₅[PO₄]₃(F, Cl, ОН)).

Окаменелые пузырьки кислорода из фосфатированных цианобактериальных матов возрастом 1,6 млрд лет. Фото © Stefan Bengtson из статьи T. Sallstedt et al., 2018. Evidence of oxygenic phototrophy in ancient phosphatic stromatolites from the Paleoproterozoic Vindhyan and Aravalli Supergroups, India

Таким образом, о районе Виндхья и Аравали можно говорить как об одном из древнейших мест фосфогенеза — массового образования фосфоритов — на Земле. При этом кислород, входящий в формулу апатита, поставляли цианобактерии. Они же обеспечивали окислительно-восстановительные условия, способствовавшие осаждению апатита. Фотосинтез цианобактерий приводит к значительному повышению щелочности окружающей среды после поглощения HCO₃^- и последующего выделения CO₃^2- трихомами (цепочками вегетативных клеток, см. Trichome) цианобактерий, что в свою очередь увеличивает перенасыщение среды карбонатом. Если воды, в которых находятся маты, насыщены карбонатными ионами, осаждается преимущественно кальцит, CaCO₃ (который затем может замещаться доломитом), а если в них в значительном количестве присутствуют ионы фосфора, то происходит осаждение апатита, который, как и кальцит, в качестве основного катиона содержит кальций.

Окаменелые пузырьки были изучены при помощи сканирующего электронного микроскопа. Размер их колеблется от 50 мкм до 1 мм. Внешняя поверхность пузырьков обычно гладкая, но иногда они снаружи покрыты кристаллической коркой, не проникающей внутрь сферических образований, что говорит о том, что эта корка образовалась в процессе диагенеза (преобразования рыхлых осадочных образований в плотные горные породы).

Изображения сферических полостей в сканирующем электронном микроскопе. Пузырьки покрыты снаружи кристаллической коркой, некоторые из них деформированы, что говорит о том, что они формировались в мягкой и подвижной среде. Фото © Stefan Bengtson из статьи T. Sallstedt et al., 2018. Evidence of oxygenic phototrophy in ancient phosphatic stromatolites from the Paleoproterozoic Vindhyan and Aravalli Supergroups, India

Там, где в строматолитах наблюдается чередование слоев с преобладанием доломита или апатита, пузырьки приурочены в основном к апатитовым слоям, насыщенным органическим веществом типа керогена. Это говорит о том, что отложение органического вещества, выделение кислорода и отложение минералов фосфора были связаны между собой.

Пузырьки, внутренние части которых заполнены поздним (диагенетическим) доломитом, сконцентрированы в более темных, насыщенных органическим веществом апатитовых слоях. Светлое — доломит. Фото © Stefan Bengtson из статьи T. Sallstedt et al., 2018. Evidence of oxygenic phototrophy in ancient phosphatic stromatolites from the Paleoproterozoic Vindhyan and Aravalli Supergroups, India

Образование газовых пузырьков в микробных матах — процесс, который наблюдается и в настоящее время. Метаболизм фототрофных цианобактерий и связанное с ним газообразование создает первичную пористость в бактериальных матах и даже иногда приводит к их разрыву.

Бактериальные маты, как современные, так и древние, представляют собой самостоятельные экосистемы со своим циклом обмена веществ и обладающие дыханием. Удивительно, что сегодня мы можем видеть запечатленные в камне следы дыхания древних биологических систем, существовавших на Земле 1,6 млрд лет назад!

Фото © Stefan Bengtson из статьи T. Sallstedt et al., 2018. Evidence of oxygenic phototrophy in ancient phosphatic stromatolites from the Paleoproterozoic Vindhyan and Aravalli Supergroups, India.

Владислав Стрекопытов