Эксперименты с экзотическими бактериями объяснили происхождение полосчатых железных руд

Рис. 1. Полосчатые железные руды (Banded iron formations, BIFs). Слева вверху: древнейшая BIF эоархейского возраста (около 3,8 млрд лет), формация Исуа, юго-западная Гренландия. Слева внизу: полосчатая железная руда из крупнейшего месторождения в Западной Австралии (Hamersley Basin, Brockman Iron Formation, Dales Gorge Member), сформировавшегося в конце архея — начале протерозоя (2,63–2,45 млрд лет назад; см. W. Guo et al., 2011. Magnetic petrophysical results from the Hamersley Basin and their implications for interpretation of magnetic surveys). Фото с сайтов flickr.com и en.wikipedia.org. Справа: график, показывающий возможную связь между интенсивностью формирования полосчатых железных руд (iron formation) и мантийными плюмами (continental plumes, global plumes), поставлявшими двухвалентное железо в древний океан. По горизонтальной оси — время в млн лет назад. График из статьи A. E. Isley, D. H. Abbott, 1999. Plume‐related mafic volcanism and the deposition of banded iron formation

Полосчатые железные руды формировались на дне докембрийских морей в результате окисления растворенного в воде двухвалентного железа. Предполагается, что ключевую роль в этом играли фотоферротрофы — бактерии, окисляющие железо в процессе бескислородного фотосинтеза. Главным возражением против этой гипотезы было крайне низкое содержание органики в полосчатых железных рудах. Эксперименты с единственной известной на сегодняшний день пелагической (обитающей в толще воды) фотоферротрофной бактерией Chlorobium phaeoferrooxidans из африканского озера Киву разрешили этот парадокс. Оказалось, что в условиях, характерных для докембрийского океана, формирующиеся железосодержащие частицы не прилипают к клеткам C. phaeoferrooxidans и быстро оседают на дно, не увлекая клетки за собой. Поэтому, если полосчатые железные руды формировались при участии похожих бактерий, то в них и не должно быть много органики. Биомасса, которая тонет гораздо медленнее, уносилась течениями далеко от мест осаждения трехвалентного железа. Итоговым продуктом её разложения должен был быть метан, помогавший Земле не замерзнуть в те далекие времена, когда Солнце светило слабее, чем сейчас.

Большую часть известных запасов железной руды составляют так называемые полосчатые железные руды или джеспилиты (Banded iron formations, BIFs). Сформировались они в основном в те времена, когда свободного кислорода в атмосфере и гидросфере планеты еще не было или было очень мало. Возраст древнейших BIFs — около 3,8 млрд лет (рис. 1). Пик формирования полосчатых железных руд приходится на конец архея — начало протерозоя (примерно 2,6–2,4 млрд лет назад), то есть на период, предшествовавший «великому кислородному событию» (см.: «Великое кислородное событие» на рубеже архея и протерозоя не было ни великим, ни событием, «Элементы», 02.03.2014). Можно предположить, что этот пик был связан с усилением мантийной конвекции в конце архея (B. Marty et al., 2019. Geochemical evidence for high volatile fluxes from the mantle at the end of the Archaean), что могло увеличить приток двухвалентного железа в океан. В конце палеопротерозоя, около 1,7 млрд лет назад, процесс формирования BIFs практически прекратился, если не считать самого позднего эпизода в криогеновом периоде (около 0,7 млрд лет назад), когда биосфера была почти уничтожена катастрофическим оледенением и в каких-то областях океана могли снова сложиться условия, характерные для более ранних этапов истории планеты.

Полосчатые железные руды формировались на дне докембрийских морей в результате окисления растворенного в воде двухвалентного железа (Fe(II)). На дне осаждались оксиды и оксигидроксиды железа смешанной валентности, с преобладанием трехвалентного Fe(III).

Характерной особенностью полосчатых железных руд является чередование слоев с высоким и низким содержанием железа. Толщина слоев может составлять от долей миллиметра до нескольких сантиметров. Это указывает на периодичность (вероятно, сезонную, хотя уверенности в этом нет) окисления железа и заставляет задуматься о возможной биогенной природе BIFs.

В большинстве теоретических моделей формирование BIFs напрямую связывается с фотосинтезирующими микробами. Предполагается, что когда условия для развития этих микробов были благоприятны (например, летом), откладывался слоёк с высоким содержанием железа, а в неблагоприятных условиях (например, зимой), содержание железа в донных осадках оказывалось намного ниже.

В роли создателей BIFs могли выступать либо оксифототрофы — производящие кислород предки современных цианобактерий, либо фотоферротрофы — аноксигенные фотосинтезирующие железоокисляющие бактерии. Цианобактерии при фотосинтезе отнимают электрон у воды и в качестве побочного продукта производят кислород, который затем может окислить Fe(II) до Fe(III). Фотоферротрофы отнимают электрон непосредственно у Fe(II), производя Fe(III) в качестве побочного продукта.

Вариант с фотоферротрофами более вероятен, особенно для архейских BIFs. Первые полосчатые железные руды начали формироваться, по-видимому, задолго до появления кислородного фотосинтеза (см.: Геномы новооткрытых цианобактерий свидетельствуют о позднем появлении кислородного фотосинтеза, «Элементы», 03.04.2017). Кроме того, предполагается, что в бескислородном архейском океане, который был богат двухвалентным железом и беден фосфором, «железный» фотосинтез мог быть выгоднее кислородного. Возможно, фотоферротрофы побеждали в конкуренции оксифототрофов, не давая им сильно расплодиться. Поэтому именно фотоферротрофы, скорее всего, были в этом океане главными продуцентами органики (C. Jones et al., 2015. Iron oxides, divalent cations, silica, and the early earth phosphorus crisis).

Однако биогенная теория происхождения BIFs до сих пор не могла объяснить, почему в полосчатых железных рудах, как правило, очень мало органики. Эксперименты показывали, что железосодержащие частицы, образующиеся в качестве побочного продукта при фотосинтезе, прочно прилипают к клеткам фотосинтезирующих бактерий. Это логично, поскольку поверхность таких частиц обычно заряжена положительно, а поверхность бактериальных клеток — отрицательно. Следовательно, вместе с трехвалентным железом должна была захораниваться в донных осадках практически вся биомасса, которая образовалась в ходе окисления двухвалентного железа. И для фотоферротрофов, и для оксифототрофов на каждый атом зафиксированного (органического) углерода должно приходиться по четыре атома окисленного железа. Из этого следует, что в типичных BIFs (таких как Dales Gorge BIF, рис. 1), исходя из содержания них Fe(III) около 37%, должно быть примерно два весовых процента углерода. На самом деле углерода там намного меньше: в среднем 0,27%.

Было непонятно, куда делся остальной углерод. Конечно, органику в донных осадках могли разлагать анаэробные гетеротрофные микробы. Однако бескислородное окисление органики в тогдашних условиях (а в архейском океане был дефицит не только кислорода, но и других окислителей, таких как сульфаты) должно было сопровождаться восстановлением трехвалентного железа обратно до двухвалентного. Но тогда минеральный состав BIFs был бы совсем другим. В общем, у сторонников биогенной теории никак не сходились концы с концами.

Микробиологи и геохимики из Канады, Германии, Испании и США сообщили в журнале Science Advances о красивом решении этого парадокса. Решение нашлось в ходе экспериментов с различными фотосинтезирующими микробами в бескислородной среде в присутствии Fe(II). Главным героем исследования стала анаэробная фотоферротрофная бактерия Chlorobium phaeoferrooxidans из озера Киву в Восточной Африке. В позапрошлом году авторы сообщили о прочтении ее генома (S. A. Crowe et al., 2017. Draft Genome Sequence of the Pelagic Photoferrotroph Chlorobium phaeoferrooxidans).

Интерес к этому микробу связан с тем, что Chlorobium phaeoferrooxidans — единственный известный на сегодняшний день пелагический (то есть обитающий в толще воды) фотоферротроф. В контексте проблемы происхождения BIFs это очень важно, потому что со столь масштабным окислением растворенного железа в архейском океане могли справиться только пелагические, но не донные микробы — хотя бы потому, что пелагические фототрофы могут жить повсюду в поверхностной зоне океана, а донные — только на мелководьях, куда проникает свет.

Другие современные фотоферротрофы, такие как Chlorobium ferrooxidans (этот вид авторы тоже использовали в своих экспериментах), происходят из донных отложений, а не из толщи воды. Кроме двух экзотических фотоферротрофов из рода Chlorobium в экспериментах приняли участие массовые и широко распространенные оксифототрофы — морские цианобактерии Synechococcus.

Ученые выращивали всех этих бактерий в воде с разными концентрациями двухвалентного железа, фосфора и кремния. Когда культура достигала определенной (поздней экспоненциальной) фазы роста (см. Рост бактерий), колбу аккуратно переворачивали и ждали, пока взвесь осядет. После этого определяли, какая доля клеток осела на дно вместе с прилипшими к ним железосодержащими частицами, образовавшимися в ходе фотосинтеза, а какая осталась в толще воды.

Эксперименты показали, что Chlorobium phaeoferrooxidans связывается с железосодержащими частицами в гораздо меньшей степени, чем две другие фотосинтезирующие бактерии. Это видно и на электронных микрофотографиях (рис. 2).

Рис. 2. Клетки пелагической фотоферротрофной бактерии Chlorobium phaeoferrooxidans, к которым почти не прилипают железосодержащие частицы (вверху), и облепленные такими частицами клетки донной фотоферротрофной бактерии C. ferrooxidans (внизу). Левые изображения сделаны при помощи сканирующего, правые — при помощи трансмиссионного электронного микроскопа. Фото из обсуждаемой статьи в Science Advances и дополнительных материалов к ней

Вообще-то это логично, ведь если бы побочные продукты фотосинтеза увлекали клетки Chlorobium phaeoferrooxidans на дно, этот микроб не был бы пелагическим: он просто не смог бы долго оставаться в толще воды. Так что главный вывод исследования можно было вывести чисто логически, рассуждая примерно так: «только пелагические микробы могли создать BIFs — эти микробы не были бы пелагическими, если бы к ним приставал образующийся преципитат — значит, он к ним не приставал — следовательно, в BIFs не должно быть много органики». Однако найти реального живого пелагического фотоферротрофа и показать, что преципитат к нему действительно не пристает — это совсем другой уровень доказательности.

Дополнительные эксперименты показали, что склонность железосодержащих частиц прилипать к бактериальным клеткам зависит, с одной стороны, от свойств клеточной поверхности, с другой — от наличия в среде кремния и фосфора. Чем больше в воде любого из этих двух элементов, тем слабее положительный заряд на поверхности железосодержащих частиц, поскольку анионы кремния и фосфора встраиваются в них. При достаточно больших концентрациях Si или P частицы преципитата становятся отрицательно заряженными. В этом случае они намного слабее прилипают к отрицательно заряженной поверхности клеток. Это справедливо для всех трех бактерий, однако Chlorobium phaeoferrooxidans при любых концентрациях Si и P успешнее остается на плаву, чем C. ferrooxidans и Synechococcus.

В архейском океане, по сравнению с современным, было мало фосфора, но много кремния. При тех концентрациях Si и P, которые предположительно были характерны для архейского океана, частицы преципитата заряжены отрицательно. Они практически не пристают к клеткам Chlorobium phaeoferrooxidans и не тянут его на дно, так что почти все клетки остаются в толще воды. В тех же условиях у C. ferrooxidans на дне оказалось (после переворачивания колбы с культурой) около 30% клеток, у Synechococcus — порядка 40%.

Эти различия связаны с химическими свойствами клеточной поверхности, в частности, с числом анионных функциональных групп, обладающих высоким сродством к Fe³⁺. Это влияет на заряд клеточной поверхности. У пелагического Chlorobium phaeoferrooxidans в «архейских» условиях поверхность клетки несет сильный отрицательный заряд, и частицы преципитата от нее отталкиваются. У донного C. ferrooxidans в тех же условиях поверхностный заряд почти отсутствует, поэтому частицы преципитата прилипают к нему сильнее. Авторы отмечают, что химия клеточной поверхности Chlorobium phaeoferrooxidans довольно типична для грамотрицательных бактерий (в отличие от донного C. ferrooxidans, который в этом отношении является «уклоняющейся» формой). Поэтому вполне возможно, что древние архейские фотоферротрофы были похожи на Chlorobium phaeoferrooxidans по своей способности отталкивать частицы преципитата.

Таким образом, исследование показало, что если за формирование полосчатых железных руд ответственны пелагические фотоферротрофы, то в этих рудах не должно быть много органики. Тяжелые железосодержащие частицы быстро тонули и захоранивались отдельно от биомассы, которая тонет на 4–5 порядков медленнее. Поэтому BIFs формировались там, где активно шел «железный» фотосинтез — прежде всего в зонах апвеллинга, где закисное железо Fe(II) из донных гидротермальных источников активно поступало в фотическую зону. Органика, носимая течениями, захоранивалась где-то в других местах. Действительно, в течение всего архея шло образование богатых органикой сланцев, никак не связанных с BIFs.

В заключительной части статьи авторы описывают модель, выстроенную ими на основе новых данных (о захоронении железа отдельно от биомассы) и призванную в самых общих чертах охарактеризовать круговорот железа и углерода в архейской биосфере (рис. 3). Исследователи постарались учесть все основные количественные параметры (площадь континентов, скорость течений, интенсивность апвеллингов и гидротермального притока Fe(II) в океан, химический состав атмосферы и гидросферы и т. д.). К сожалению, многие из этих параметров для архея известны лишь приблизительно, а некоторые вообще не известны, так что их можно реконструировать лишь из общих соображений и по аналогии с современной ситуацией. О высокой точности таких реконструкций говорить не приходится. Но всё же некоторые тенденции модель, скорее всего, описывает верно. Особенно важными представляются два вывода.

Рис. 3. Модель архейской прибрежной зоны апвеллинга. Показаны основные моделируемые процессы: «железный» фотосинтез, в ходе которого двухвалентное железо (Fe²⁺), поступающее из донных гидротермальных источников, окисляется (Iron oxidation) до трехвалентного (Fe(OH)₃) и производится биомасса ([CH₂0]). Трехвалентное железо тонет неподалеку от района своего формирования, образуя полосчатую железную руду (BIF) и увлекая с собой какую-то часть биомассы. Остальная биомасса уносится течением и частично захоранивается в богатых органикой сланцах (Shale), частично перерабатывается анаэробными гетеротрофами, которые производят молекулярный водород (H₂), используемый затем метаногенами для производства метана (CH₄). Альтернативный путь разложения органики связан с восстановлением трехвалентного железа обратно до двухвалентного, причем этот путь как бы конкурирует за органику с метаногенезом (Iron reduction/methanogenesis). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

Во-первых, для создания фотоферротрофами всех архейских полосчатых железных руд всего необходимого хватает с большим запасом (гидротермального притока закисного железа, скорости течений, продуктивности самих фотоферротрофов, дефицитного фосфора и т. д.). Нужно только, чтобы заметная часть биомассы не захоранивалась вместе с железом. Такую возможность авторы как раз наглядно продемонстрировали в своих экспериментах. Таким образом, идея о том, что именно фотоферротрофы ответственны за формирование полосчатых железных руд в древнем бескислородном океане, получила весомое подтверждение.

Во вторых, если признать, что часть биомассы подвергалась микробной деградации не в осадках с высоким содержанием Fe³⁺ (где бескислородное окисление органики сопровождалось бы восстановлением железа), а где-то еще, то это должно было сопровождаться выделением большого количества метана (см. Метаногенез). Археи-метаногены используют в качестве источника углерода либо CO₂ (в этом случае им нужен молекулярный водород, образующийся при сбраживании органики анаэробными бактериями), либо простейшие органические соединения (формиат, ацетат, метанол, метиламины и др.). Побочным продуктом жизнедеятельности метаногенов является метан, который при остром дефиците подходящих окислителей (кислорода, сульфатов, нитратов) едва ли мог кем-то эффективно окисляться (см. Метанотрофы) и должен был поступать в атмосферу.

Авторы рассчитали, что разложение незахороненной биомассы фотоферротрофов при участии метаногенов должно было (при самых правдоподобных параметрах) поставлять в атмосферу порядка 50 млн тонн метана в год, и тогда концентрация метана в атмосфере поддерживалась бы на уровне 10 ppm (объемных частей на миллион). Конечно, это лишь средняя и крайне приблизительная оценка: в допустимом диапазоне модельных параметров она варьирует от 1 до 20 ppm. Для сравнения, в наши дни концентрация метана приближается к отметке 1,9 ppm, а доиндустриальный уровень был 0,7 ppm.

Такое количество метана в атмосфере само по себе не могло обеспечить теплый климат при тусклом архейском солнце (см.: Парадокс слабого молодого Солнца), но оно могло способствовать этому косвенно, через какие-то положительные обратные связи, например, повышая производительность других вариантов аноксигенного фотосинтеза — а это, в свою очередь, вело бы к поступлению дополнительного метана в атмосферу.

Исследование показало, как изучение экзотических реликтовых микробов может пролить неожиданно яркий свет на древнюю историю нашей планеты.

Источник: Katharine J. Thompson, Paul A. Kenward, Kohen W. Bauer, Tyler Warchola, Tina Gauger, Raul Martinez, Rachel L. Simister, Céline C. Michiels, Marc Llirós, Christopher T. Reinhard, Andreas Kappler, Kurt O. Konhauser and Sean A. Crowe. Photoferrotrophy, deposition of banded iron formations, and methane production in Archean oceans // Science Advances. 2019. V. 5(11), eaav2869. DOI: 10.1126/sciadv.aav2869.

См. также о реконструкции событий архейского эона:
1) Элементный состав континентальной коры помог датировать начало тектоники плит, «Элементы», 28.01.2016.
2) Сульфидные включения в алмазах свидетельствуют о том, что субдукция началась еще в архее, «Элементы», 06.05.2019.
3) Древнейшие бактерии архея не были сульфатредукторами, «Элементы», 28.09.2012.
4) Новая модель связала образование земной коры, вулканы и кислород, «Элементы», 17.10.2011.
5) Верхний слой океана в позднем архее местами уже был обогащен кислородом, «Элементы», 04.03.2019.

Александр Марков