Məlumat

Siyanobakteriyalar qədim yerin anaerob şəraitinə necə dözə bilərdilər?

Siyanobakteriyalar qədim yerin anaerob şəraitinə necə dözə bilərdilər?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Mən siyanobakteriyalar haqqında oxuyurdum və onların təxminən 2,3 milyard il əvvəl atmosferi oksigenlə dolduran ilk orqanizmlər olduğunu bildim, lakin sonra onların aerob olduğunu başa düşdüm və aerob bir orqanizmin necə yaşaya biləcəyini başa düşə bilmədim. bütün atmosferi dolduran və demək olar ki, bütün anaerob orqanizmlərin yox olmasına səbəb olan kifayət qədər oksigen yaratmaq üçün ilk növbədə oksigen zəif atmosferi


İlk siyanobakteriyalar, ehtimal ki, anaerob idi və bu məsələ müasir tədqiqatların ən aktual mövzusu kimi görünür. Bu yaxınlarda nəşr olunan bir araşdırmaa müxtəlif siyanobakteriyaların genomlarının filogenetik analizini həyata keçirən tədqiqatçılar:

Bu məlumatlardan ən əsaslı nəticə ondan ibarətdir ki, siyanobakteriyaların sonuncu ortaq əcdadı oksigendən istifadə etməyib və üç sinif [siyanobakteriyalar] ayrıldıqdan sonra müstəqil olaraq aerob tənəffüs əldə ediblər. Əcdadların siyanobakteriyalarında aerob tənəffüsün olmaması onu göstərir ki, erkən Yerdə abiotik oksigen mənbələri fotosintez nəticəsində yaranan oksigen meydana çıxana qədər onun təkamülünü təmin etmək üçün kifayət deyildi.

İstinad

a Soo, Rochelle M., et al. "Siyanobakteriyalarda oksigen fotosintezin və aerob tənəffüsün mənşəyi haqqında". Elm 355.6332 (2017): 1436-1440 (http://web.gps.caltech.edu/~wfischer/pubs/Sooetal2017.pdf)


Yerin 4,6 milyard il əvvəl (milyard il əvvəl) əmələ gəldiyi təxmin edilir. Ən qədim meteoritlər təxminən bu dövrə aiddir, lakin Yer kifayət qədər uzun müddətdir yarı ərimiş vəziyyətdə olardı. Çöküntü süxurlarının komponentlərinin təxminən 4,4 milyard il yaşı var ki, bu da Yerin tarixinin əvvəlində okeanların əmələ gəlməsinə imkan verəcək qədər soyuduğunu göstərir (Nemchin, 2006).

Qədim qaya təbəqələrindən alınan karbon izotoplarının oxunuşları yer üzündə həyatın 3,8 milyard il əvvəl və bəlkə də 3,85 milyard il əvvəl mövcud olduğu qənaətini dəstəkləyir (Mojzsis, 1996). 3,8 milyard il əvvəl olan süxurlarda, canlı orqanizmlərin varlığını göstərən karbon izotop nisbətləri var. Karbonun izotop adlanan müxtəlif formaları var. Canlılar müəyyən bir karbon izotopundan (12 C) istifadə edir və ikinci bir izotopu (13 C) istisna edir, heç biri mineralların əmələ gəlməsində ayrı-seçkiliyə məruz qalmır. Süxur çöküntülərində karbon nisbətlərinin 10 000-dən çox təhlilindən sonra keyfiyyət fərqinin müşahidə olunduğu yalnız bir dövr var. Təxminən 3,8 milyard il əvvəl müəyyən çöküntülərdəki karbon izotoplarının nisbətləri həyatın yoxluğundan canlılarla əlaqəli olanlara dəyişdi. Bu analiz canlıların yer üzündə 3,85 milyard il əvvəl mövcud olduğunu göstərir. Karbon izotoplarında bu dəyişiklik planetdə maye suyun görünməsindən qısa müddət sonra baş verdi (Brocks, 1999 Schidlowski, 1988 Holland, 1997). Yaşı 3,5 milyard il olan qayalar da həyatın varlığını göstərir (Akai, 2006).

Qrenlandiyanın Isua qaya təbəqələrində yaşı 3,8 milyard il olan kiçik üzvi materialın "qalıqları" var. Onların içərisində üzvi maddələr olsa da və onların parçalanmasına dair nümunələr olsa da (maya kimi qönçələnmə), onların canlı hüceyrələr və ya cansız mikrosferlər olduğu aydın deyil (Pflug, 1979 Roedder, 1981 Bridgwater, 1981 Dunlop, 1978) .

Mars süxurlarında tərkibində üzvi material olan "nanofsillər" tapılıb. Bəziləri hesab edirlər ki, bu kiçik strukturlar Marsdakı ibtidai orqanizmlər tərəfindən əmələ gəlmişdir (baxmayaraq ki, çoxları bu şərhlə razılaşmır) (Trevors, 2003b). Mikrofosillərin əmələ gəlməsi ilə nəticələnən qədim mikrobların biominerallaşması çox vaxt hüceyrə səthinə metal ionlarının daxil olmasının nəticəsidir. "Nanobakteriyalar" budaqlar və veziküllər kimi minerallaşmış mikrobların hissələri ola bilər (Southam, 1999). Ölçüləri 0,1 ilə 0,5 mikron arasında dəyişən və bir-üç gündə bir təkrarlanan nanobakteriyalar insanlarda polikistik böyrək xəstəliyi kimi bəzi xəstəliklərdə iştirak edir (Çiftçioğlu, 2002).

Fosillərin əksəriyyəti çöküntü qaya kimi tanınan bir qaya növündə tapılır. Ən qədim məlum çöküntü süxur yatağı Qərbi Qrenlandiyanın 3,8 milyard il əvvəl Isua formasiyasıdır. Ən qədim məlum süxurların cəmi 4,0 milyard il yaşı olduğunu nəzərə alsaq, 3,8 milyard il əvvəldən xeyli yaşlı olan çöküntü süxurlarının tapılması ehtimalı azdır. Isuada məlum olan fosillər olmasa da, bu qayadakı karbon nisbətləri fotosintetik mikrobların fosillərini ehtiva edən sonrakı süxurlarda tapılanlara bənzəyir (McClendon, 1999).

Isuadakı 3,8 milyard illik süxurlarda çox kiçik karbonlu mikro strukturlar məlumdur və ehtimal ki, abiotikdir. Avstraliyadan gələn ən qədim mikrofosillərin yaşı 3,5 milyard ildir (Pflug, 2001 McClendon, 1999). Meteoritlərdəki mikro strukturlar ibtidai mikrobların mikrofosillərinə bənzəyir. Üzvi strukturların ölçülərinin və meteoritlərdən müsbət ionların kütlə spektrlərinin kimyəvi analizi prekembri mikrofosillərini ehtiva edən qaya təbəqələrinin analizlərinə oxşar ola bilər. Murchison meteoritinin iki qatlı lipid membranı ilə əhatə olunmuş kiçik strukturları var idi. Bu kiçik strukturlar 10 nm ilə 1 mikron arasında spiral və sferik karbon mikro strukturları və eni 2-20 nm və uzunluğu 1-2 nm olan vahidlərdən ibarət filamentlər şəklində ola bilər. Bu kiçik üzvi strukturları necə şərh etmək lazımdır? Bəziləri özlərini ya canlı, ya da həyatın sələfləri kimi hiss etsələr də, ən azı hüceyrə fosillərinə bənzəyən üzvi mikro strukturların yer üzündə və kosmosda abiotik şəraitdə əmələ gələ biləcəyini nümayiş etdirirlər (Pflug, 2001).

Bakteriyaların okeanın dərinliklərində, yerin altında və hətta qayalarda tapıla biləcəyini nəzərə alsaq, həyatın mənşəyi haqqında düşünərkən bu mühitlər nəzərə alınmalıdır. Bakteriyalar feldispat kimi müəyyən qaya minerallarının kanallarında mövcud ola bilər (Smith, 1999). Yer üzündə təxminən 4-6 x 1030 prokaryotik hüceyrə var ki, onların ümumi karbon kütləsi bitkilərin ümumi karbon kütləsi qədərdir. torpaq (350-550 Pg 1 Pg = 10 12 kq). Dəqiq dəyərlər bilinməsə də, torpağın dərinliklərində və okean dibinin altında çoxlu sayda prokaryotlar olduğu görünür. Dərin sulu təbəqələr və neftlə əlaqəli su hər mililitrdə mindən milyona qədər mikrob ehtiva edə bilər. Yerin altında 2000 metr dərinlikdə 400.000-dən çox mikrob/kub santimetr, 3000 metr dərinlikdə isə 300.000-dən çox mikrob/kub santimetr aşkar edilir (Whitman, 1998). Böyük miqdarda mikroblar okean dibinin altındakı qayada yaşayır. Yaşı 100 milyon ildən çox olan çöküntülərdə dəniz dibinin 1,6 km-dən çox altında mikroblar tapılıb. Bu mikrobların bəziləri metabolik aktiv və bölünən idi. Bunların arasında metanın anaerob oksidləşməsi ilə sağ qalan arxelər var. Bəziləri yer üzündəki prokaryotların 2/3-nin dəniz dibinin altındakı qayalarda yaşadığını irəli sürdülər (Roussel, 2008). Ən ibtidai müasir bakteriyaların çoxu dərin dəniz hidrotermal ventilyasiyalarında yaşayır. Tarixdən əvvəlki hidrotermal ventilyasiyalar fosil qeydlərindən məlumdur, o cümlədən müxtəlif bakterial fauna ilə əlaqəli Prekembri ventilyasiyası (Li, 2006 Campbell, 2006).

Bu gün yer üzündə iki fərqli hüceyrə növü var. Prokaryotik hüceyrələr müasir bakteriyalarla təmsil olunur və ən sadə hüceyrə növüdür. Prokaryotik hüceyrələr kiçikdir (adətən eukaryotik hüceyrələrdən 10.000 dəfə kiçikdir) və orqanoidlər adlanan membrana bağlı daxili bölmələr yoxdur. Müasir bakteriyaların 2 əsas bölməsi var: eubakteriyalar və arxebakteriyalar (və ya arxeya). Eubakteriyalar insanların tez-tez qarşılaşdıqları bakteriyaların əksəriyyətini təşkil edir, arxelər isə dünyanın ən sərt mühitlərinin bir çoxunda yaşayır. Son illərdə arxeya ilə daha mürəkkəb eukaryotik hüceyrələr (məsələn, insan bədənini təşkil edənlər) arasındakı oxşarlıqlara görə onlara böyük maraq var.

Prokaryotik (bakterial) hüceyrələrin ilk fosilləri 3,5 və 3,4 milyard il əvvəldən məlumdur. Bu bakteriyalar fotosintetik idi (oksigen istehsal etməsə də), buna görə də çox güman ki, daha sadə qeyri-fotosintetik bakteriyalar bundan əvvəl inkişaf etmişdir (Schopf, 1987 Beukes, 2004). Tarixdən əvvəlki fotosintetik bakteriyalar, hündürlüyü 30 fut-a çata bilən stromatolitlər adlanan böyük kurqanlar əmələ gətirdi. Bu gün Avstraliyada bakterial stromatolitlər mövcuddur və fosil qeydləri onların bir vaxtlar bütün dünyada daha çox yayıldığını göstərir. Stromatolitlər hətta Arxeozoy Eonundan 3 qitədən məlumdur, o cümlədən bəzilərinin yaşı 3,5 milyard ildir. Gənc stromatolitlər bakteriyalar tərəfindən istehsal edilmiş bakterial fosilləri ehtiva edir (Lowe, 1980 Walter, 1980). Köhnə stromatolitlər də yəqin ki, bakteriyalar tərəfindən əmələ gəlmişdir (onların mikroskopik quruluşu, subtidal vəziyyəti, biotik fosil stromatolitlərə oxşarlığı bunu göstərir), lakin bəzilərinin abiotik (geoloji qüvvələr nəticəsində bakteriyalar olmadan) olması mümkündür (Grotzinger, 1996) . Prekembri stromatoliti aşağıda təsvir edilmişdir.

Geokimyəvi dəlillər göstərir ki, metan istehsal edən bakteriyalar 3,46 milyard il əvvəl yer üzündə mövcud olub. Onların istehsal etdikləri metan, günəşin enerji istehsal edəcəyi bir vaxtda (metan güclü istixana qazı olduğunu nəzərə alsaq) planetin istiləşməsində mühüm rol oynaya bilərdi (Ueno, 2006). Son arxeozoy dövrünə aid karbohidrogenlər göstərir ki, həm bakteriyalar, həm də arxelər erkən biosferə öz töhfələrini vermişlər. Arxeya tərəfindən istehsal olunan metan, çox güman ki, gənc günəşin enerji çıxışı müasir miqdardan az olduğu halda suyu maye saxlayan istixana qazlarına töhfə vermişdi (Ventura, 2007).

Bakteriyalar həyatın tarixində ən azı ilk 1,5 milyard il ərzində yer üzündə yeganə məlum olan sakinlərdir. Genetik müqayisələr göstərir ki, ən qədim, ən ibtidai bakteriya nəsilləri anaerob olub və oksigenin mövcudluğunda yaşamaq qabiliyyəti müxtəlif nəsillərdə ayrı-ayrılıqda təkamül edib. Fotosintez əsas eubakterial nəsillərin yarısında mövcud olan qədim bir proses kimi görünür (o cümlədən, fotosintetik əcdadların fotosintetik olmayan nəsillərə səbəb olduğu bir sıra (Fox, 1980). Hidrotermal ventilyasiya kanallarının Prekembridə mikrob icmalarını dəstəklədiyi məlumdur. (Kampbell, 2006).Ən ibtidai müasir bakteriyaların çoxu dərin dəniz hidrotermal ventilyasiyalarında yaşayır.Tarixdən əvvəlki hidrotermal ventilyasiya fosil qeydlərindən məlumdur, o cümlədən müxtəlif bakterial fauna ilə əlaqəli Prekembri dövrünün ventilyasiyası (Li, 2006 2007).

Dəniz suyunun hər millilitrində orta hesabla 100.000-dən çox mikrob və okeanda təxminən 3,6 x 10E29 mikrob var. Bu mikrob kütləsi (bakteriyalar, arxeya, protistlər və göbələklər daxil olmaqla) okeanın biokütləsinin böyük hissəsini təşkil edir, təxmini 3 x 10 E17 q. Bu mikrobların müxtəlifliyi əvvəllər təxmin ediləndən çox daha böyükdür (Sogin, 2006).

Üç milyard il əvvəl, fotosintez zamanı oksigen buraxan siyanobakteriyalar (bir qədər yanlış adı olan "mavi yaşıl yosunlar" ilə daha yaxşı tanınan bir bakteriya növü) təkamül etdi. İlk bakteriyalar, ehtimal ki, fotosintez zamanı oksigen əvəzinə hidrogen və hidrogen sulfid buraxdılar. 2,7 milyard il əvvəl stromatolit əmələ gətirən mikroblar oksigen fotosintezdən istifadə etmişlər (Buick, 1992). Atmosferdəki oksigenin miqdarı 2,4 və 2,2 milyard il əvvəldən əhəmiyyətli dərəcədə artmışdır (Rye, 1998). Siyanobakteriyaların varlığına dair molekulyar sübutlar 2,7 milyard illik süxurlara aiddir və 2,1 milyard illik süxurlardan xüsusi hüceyrələr məlumdur (Tomitani, 2006). 2,2 milyard il əvvəl, siyanobakteriya zəncirləri genişlənmiş hüceyrələrlə mövcud idi (bu, yəqin ki, müasir növlərdə olduğu kimi azot mübadiləsi kimi vəzifələr üçün ixtisaslaşmışdır) bu, hüceyrə ixtisaslaşmasının ilk məlum nümunəsidir (Nagy, 1974 Schopf).

Ən qədim atmosferdə çox oksigen qazı yox idi. Fotosintezdən əvvəl, azalmış geotermal çıxışlar və atmosferdə çox az mövcud olan süxurların parçalanması ilə o qədər oksigen udulardı. Oksigen qazının yeganə mənbəyi su molekullarının günəş işığı ilə parçalanması olardı (Des Marais, 2000). Bu, o dövrdə əmələ gələn çöküntülərin metalların paslanmadığını və oksigenin iştirakı ilə əmələ gələn mineralların olmadığını müşahidə etdikdə aydın görünür. Arxeozoyun dəmir yataqları anoksik mühitin göstəricisidir (Lascelles, 2007). 2,1 milyard il əvvəl atmosferdə ilk dəfə dəmiri paslandırmaq üçün kifayət qədər oksigen var idi və təxminən 1,8 milyard il əvvəl oksigen əhəmiyyətli miqdarda dəmiri oksidləşdirdi. 1,7 milyard il əvvələ aid steran biomarkerləri və təxminən 1,6 milyard il əvvələ aid oksidləşmiş kükürd yataqları kimi digər oksigen əlamətləri də bu zaman görünür. Atmosferdəki oksigen səviyyələri, Ediakar faunasının şaxələnməsindən bir qədər əvvəl, Prekembriyin sonuna doğru artır (Kaufman, 2007Canfield, 2007).

İlk bakteriyalarda oksigenin dağıdıcı reaktiv formaları ilə məşğul olan fermentlər (məsələn, peroksidaza kimi) olmadığından, oksigen ilk hava çirklənməsini təmsil edərdi və bakteriyalar arasında bir çox məhvə səbəb olardı. Bu gün hələ də oksigenin varlığında yaşaya bilməyən bir çox bakteriya var.

Fotosintetik mikroorqanizmlərin fosil qeydləri kifayət qədər yaxşıdır ki, siyanobakteriyalar təxminən 2,5 milyard il əvvəldən Kembri dövrünə qədər sağlamdır. Qayalarda qalan üzvi molekullar fosil xronologiyasını dəstəkləyir. (Məsələn, 2-metil bakterio-panepoliollar yalnız siyanobakteriyalardan məlumdur və onun süxurlarda olması süxurun əmələ gəldiyi zaman siyanobakteriyaların mövcud olduğunu göstərir.) (Marais, 1992 Logan, 1999 de Duve, 1996)


Siyanobakteriyalar bizə iqlimə uyğunlaşma haqqında öyrədə bilər Okean isti olarsa, siyanobakteriyalar və ya "mavi yaşıl yosunlar" daha az qida ilə sağ qala bilər.

İqlim dəyişikliyi səbəbindən okeanlar istiləşir və bu, ən kiçik planktondan tutmuş ən böyük tuna balığına qədər bütün okean həyatına təsir edəcək. Okeandakı həyat şəbəkəsi mürəkkəbdir və buna görə də məhz hansı ekosistemlərin təsirlənəcəyi və onların nə qədər dəyişəcəyi hazırda intensiv şəkildə araşdırılır. Qida şəbəkəsinin əsasını təşkil edən və oksigen istehsalçıları olan fitoplanktonun bu dəyişən mühitdən necə təsirlənəcəyini anlamaq xüsusilə vacibdir. Fitoplankton azalarsa və ya paylanma dəyişirsə, o zaman balıq ovu da azalmış tutma və ya balıqların ərazidən tamamilə kənara çıxmasını görə bilər.

Siyanobakteriyalar çoxsaylı, qədim və geniş yayılmış fitoplankton növüdür. Onların Yerin qədim atmosferini yüksək karbon qazından (CO2 ) oksigenlə zənginləşərək, bildiyimiz kimi həyatın təkamülünə yol açır. Bir siyanobakteriya mikroskopikdir, lakin şərait uyğun olduqda, onlar kosmosdan görünə bilən çox böyük koloniyalar və ya çiçəklər yarada bilərlər.

Bu araşdırmada tədqiqatçılar siyanobakteriyalar üçün vacib qida olan dəmirin bolluğunun siyanobakteriya növlərinin böyümə sürətinə necə təsir etdiyini müəyyən etmək istəyiblər. Trichodesmium erythraeum müxtəlif temperaturlarda. Trixodesmium ekoloji əhəmiyyətli siyanobakteriyadır, çünki azot qazını üzvi azota çevirir və daha sonra azot fiksasiyası deyilən bir prosesdən istifadə edərək digər heyvanlar tərəfindən istifadə edilə bilər. Yalnız bir neçə növ azotu qeyri-üzvi formadan digər canlı orqanizmlərin istifadə edə biləcəyi bir forma dəyişdirə bilər və bu azot fiksatorlarını çox əhəmiyyətli edir. Fitoplankton tədqiqatlarında tez-tez güman edilir ki, istiləşmə və qida bolluğu artıma əlavə olaraq təsir edir. Bu o deməkdir ki, onların böyüməsi temperaturun təsiri və qida bolluğunun təsiri ilə dəyişir. Bununla belə, tədqiqatçılar bu araşdırmada bunun bir az daha mürəkkəb olduğunu nümayiş etdirdilər. Temperaturun artması fitoplankton metabolizminə və kimyəvi reaksiyalara daha çox enerji verməklə təsir edə bilər və bununla da böyümə sürətində əlavə dəyişikliklərə səbəb ola bilər.

Bu təcrübə üçün Cənubi Kaliforniya Universiteti və bir neçə Çin universitetinin alimləri yetişdi Trixodesmium 22 ° C-dən 35 ° C-ə qədər (maksimum sağ qalma temperaturu) artıq miqdarda dəmir və ya aşağı səviyyədə dəmir. Onlar planktonun böyümə sürətini müşahidə etdilər və radioaktiv dəmir birləşmələrindən istifadə edərək hüceyrələrin dəmir istifadəsini izlədilər.

Dəmir bol olduqda, siyanobakteriyalar 27 ° C-də ən sürətli böyüdü, lakin dəmir məhdud olduqda, maksimum artım sürəti 32 ° C-də baş verdi. Bənzər bir nümunə, məhdudlaşdırıcı qida olan fosforla da tapıldı Trixodesmium dəmirin bol olduğu yerlərdə böyümə. Bu o deməkdir ki, okeanlar maksimum 35 ° C-ə qədər istiləşdikcə, dəmirin aşağı səviyyələri daha az problemə çevrilir və siyanobakteriyalar eyni temperaturda qeyri-məhdud dəmirlə olduğu kimi sürətlə böyüyə bilər. Temperatur artdıqca onların azot fiksasiya sürəti də sabit sürətlə artdı. Tədqiqatçılar, siyanobakteriyaların dəmirin az olduğu zaman daha isti şəraitdə daha sürətli böyüdüyünü, çünki ətraf mühit isti olduqda hüceyrələrdəki reaksiyaların daha sürətli getdiyini və fermentlərin (tərkibində dəmir olan) daha sürətli bir sürətlə sərbəst buraxıldığını və yenidən birləşdiyini düşünürlər. Bu o deməkdir ki, daha az miqdarda dəmir (və fosfor) hüceyrə daxilində eyni miqdarda iş görə bilər, çünki daha isti temperaturda hər şey daha sürətli gedir.

Elm adamları daha isti gələcək okeanda okeanın məhsuldarlığını proqnozlaşdırmaq üçün modellər hazırlayarkən, çoxları bu kimi təsirləri nəzərə almır və buna görə də biokütlə və azot fiksasiyasının miqdarını düzgün qiymətləndirmir. Digər tədqiqatlar göstərdi ki, yüksək CO2 azotun fiksasiya sürətini də artırır, lakin bu proses də dəmirlə məhdudlaşır. Bu tədqiqat yüksək temperaturda daha az dəmir tələb olunduğunu göstərdiyinə görə, CO-nun artması ilə azot fiksasiyasının daha da artması ehtimalı daha yüksəkdir.2 səviyyələri. Bu tədqiqatın tədqiqatçılarının fikrincə, əgər digər siyanobakteriya növləri də oxşar reaksiya verərsə, 2100-cü ildə azot fiksasiyasında orta hesabla 21,5% artım olacaq. Faiz coğrafi əraziyə görə çox dəyişir, lakin bəzi ərazilərin 35℃-dən çox olacağı proqnozlaşdırıldığı üçün fitoplanktonların çoxu ümumiyyətlə yaşaya bilməz.

Çox isti olmayan ərazilərdə bu azot fiksasiyası okeanın istiləşməsinin bəzi mənfi təsirlərinin qarşısını almağa kömək edə bilər. Yer okeanlarının istiləşməsinin cərəyanları azaldacağı və buna görə də okeanları təbəqələrə ayıracağı proqnozlaşdırılır. Bu, üzvi azot kimi qida maddələrinin dərinlikdən səthə normal mübadiləsinin qarşısını alacaqdır. Beləliklə, siyanobakteriyalar tərəfindən qeyri-üzvi azotun artan fiksasiyası, ciddi təbəqələşmə baş verərsə, səth sularını lazımi üzvi azotla təmin edə bilər.

Qida şəbəkəsinin əsasındakı hər hansı dəyişiklik hər şeyi proqnozlaşdırmaq çətin yollarla dəyişəcək. Buna görə də iqlim dəyişikliyinin bitkilərə və fitoplanktona təsirini başa düşmək gələcəyin nə gətirəcəyini bilmək üçün ən böyük əhəmiyyət kəsb edir.


Yerin Erkən Atmosferi: Yeniləmə

Rensselaer Politexnik İnstitutunda NAI ’s Nyu-York Astrobiologiya Mərkəzinin alimləri Yer kürəsinin ən qədim minerallarından onun doğulmasından çox qısa müddət sonra Yer kürəsində mövcud olan atmosfer şəraitini yenidən qurmaq üçün istifadə ediblər. “Nature” jurnalının budəfəki sayında dərc olunan tapıntılar planetin qədim atmosferinin yarandıqdan qısa müddət sonra necə olduğuna dair ilk birbaşa sübutdur və planetdə həyatın hansı atmosferdən yarandığı ilə bağlı illərlə aparılan araşdırmalara birbaşa meydan oxuyur. .

Alimlər göstərirlər ki, Yer kürəsinin atmosferi yaradıldıqdan cəmi 500 milyon il sonra əvvəllər nəzərdə tutulduğu kimi metanla dolu çöl ərazi deyil, əksinə indiki atmosferimizin şərtlərinə daha yaxındır. “Hadean maqmalarının oksidləşmə vəziyyəti və erkən Yer atmosferi üçün təsirlər” başlıqlı məqalədəki tapıntılar, həyatın bu planetdə necə və nə vaxt başladığını və kainatın başqa yerlərində başlaya biləcəyini başa düşməyimizə təsir göstərir.

Onilliklər ərzində elm adamları erkən Yer atmosferinin çox azaldığına, yəni oksigenin çox məhdud olduğuna inanırdılar. Bu cür oksigen zəif şərtlər atmosferin zərərli metan, karbon monoksit, hidrogen sulfid və ammonyakla dolu olmasına səbəb olardı. Bu günə qədər Yerdəki həyatın bu ölümcül atmosfer kokteylindən necə qurulduğuna dair geniş yayılmış nəzəriyyələr və tədqiqatlar qalmaqdadır.

İndi Rensselaerdəki elm adamları bu atmosfer fərziyyələrini başlarına çevirərək, erkən Yerdəki şərtlərin sadəcə olaraq bu tip atmosferin əmələ gəlməsinə deyil, daha çox oksigenlə zəngin birləşmələrin üstünlük təşkil etdiyi bir atmosferə səbəb olduğunu sübut edən tapıntılarla döndərirlər. su, karbon qazı və kükürd dioksidi də daxil olmaqla mövcud atmosferimiz.

Rensselaer Elmlər İnstitutunun professoru Bruce Watson, "İndi biz əminliklə deyə bilərik ki, Yerdəki həyatın mənşəyini öyrənən bir çox elm adamı sadəcə yanlış atmosferi seçiblər".

Tapıntılar geniş yayılmış nəzəriyyəyə əsaslanır ki, Yer atmosferi onun səthindəki vulkanik fəaliyyətdən ayrılan qazlardan əmələ gəlib. Yerin ilk günlərində olduğu kimi bu gün də Yerin dərinliklərindən axan maqmanın tərkibində həll olunmuş qazlar var. Həmin maqma səthə yaxınlaşdıqda həmin qazlar ətrafdakı havaya buraxılır.

"Əksər elm adamları maqmadan çıxan bu qazın atmosferə əsas giriş olduğunu iddia edərdilər" dedi Watson. "Atmosferin təbiətini" başlanğıcda " anlamaq üçün atmosferi təmin edən maqmalarda hansı qaz növlərinin olduğunu müəyyən etməmiz lazım idi."

Maqma Yer səthinə yaxınlaşdıqca ya püskürür, ya da yer qabığında dayanır, burada ətrafdakı qayalarla qarşılıqlı əlaqədə olur, soyuyur və bərk qaya halında kristallaşır. Bu donmuş maqmalar və onların tərkibindəki elementlər Yer kürəsinin tarixində əsl mərhələ ola bilər.

Əhəmiyyətli bir mərhələ sirkondur. Zamanla eroziya və subduksiya ilə məhv olan digər materiallardan fərqli olaraq, müəyyən sirkonlar Yerin özü qədər köhnədir. Beləliklə, sirkonlar sözün həqiqi mənasında planetin bütün tarixini izah edə bilər - əgər soruşacağınız düzgün sualları bilirsinizsə.

Alimlər ilk dəfə olaraq Yer kürəsinin tarixində erkən buraxılan qazların nə qədər oksidləşdiyini müəyyən etmək üçün bu qədim sirkonları əmələ gətirən maqmaların oksidləşmə səviyyələrini müəyyən etməyə çalışdılar. Astrobiologiya Mərkəzinin doktoranturadan sonrakı tədqiqatçısı, tədqiqatın aparıcı müəllifi Dastin Trailin sözlərinə görə, oksidləşmə səviyyəsini başa düşmək pis bataqlıq qazı ilə su buxarı və karbon dioksid qarışığı arasındakı fərqi aydınlaşdıra bilər.

"Sirkonu yaradan maqmaların oksidləşmə vəziyyətini təyin etməklə, nəticədə atmosferə daxil olacaq qazların növlərini müəyyən edə bilərik" dedi Trail.

Bunu etmək üçün Trail, Watson və onların həmkarı, postdoktoral tədqiqatçı Nicholas Tailby laboratoriyada müxtəlif oksidləşmə səviyyələrində sirkonların əmələ gəlməsini yenidən yaratdılar. Laboratoriyada sözün əsl mənasında lava yaratdılar. Bu prosedur daha sonra təbii sirkonlarla müqayisə edilə bilən oksidləşmə ölçmə cihazının yaradılmasına səbəb oldu.

Bu proses zamanı sirkonlarda serium adlı nadir Yer metalının konsentrasiyasını axtardılar. Serium mühüm oksidləşmə göstəricisidir, çünki o, iki oksidləşmə vəziyyətində tapıla bilər, biri digərindən daha çox oksidləşir. Sirkonda daha çox oksidləşmiş tip seriumun konsentrasiyası nə qədər yüksək olarsa, atmosfer onların əmələ gəlməsindən sonra bir o qədər oksidləşmişdir.

Kalibrləmələr müasir şəraitə daha yaxın oksidləşmə vəziyyətinə malik atmosferi aşkar edir. Tapıntılar Yerdəki həyatın mənşəyi ilə bağlı gələcək tədqiqatlar üçün mühüm başlanğıc nöqtəsidir.

"Planetimiz bütün həyatın oynadığı mərhələdir" dedi Watson. “Həmin mərhələnin nə olduğunu bilməyincə, Yerdəki həyat haqqında danışmağa belə başlaya bilmərik. Və oksigen şəraiti, əmələ gələ biləcək üzvi molekulların növlərinə necə təsir etdiyi üçün həyati əhəmiyyət kəsb edirdi.”

Həyatın hazırda nəfəs aldığı, yaşadığı və inkişaf etdiyi atmosfer olmasına baxmayaraq, hazırkı oksidləşmiş atmosferimizin həyat üçün əla başlanğıc nöqtəsi olduğu hələ başa düşülmür. Metan və onun oksigensiz analoqları qeyri-üzvi birləşmələrdən həyatı dəstəkləyən amin turşularına və DNT-yə keçmək üçün daha çox bioloji potensiala malikdir. Beləliklə, Watson hesab edir ki, onun qrupunun kəşfi, bəlkə də, həyat üçün tikinti materiallarının Yer kürəsində yaradılmadığı, lakin qalaktikanın başqa yerlərindən gətirildiyi nəzəriyyələrini yenidən gücləndirə bilər.

Bununla belə, nəticələr anaerob orqanizmlərdən aerob orqanizmlərə həyatın səyahətinə dair mövcud nəzəriyyələrə zidd deyil. Nəticələr ən erkən atmosferdə tərkibində karbon, hidrogen və kükürd olan qaz molekullarının təbiətini müəyyənləşdirir, lakin onlar havada sərbəst oksigenin daha sonra yüksəlməsinə heç bir aydınlıq gətirmir. Trail-ə görə, oksigenin bioloji mexanizmlər vasitəsilə atmosferdə yığılması üçün hələ də xeyli vaxt var idi.

NASA Astrobiologiya Proqramından ən son xəbərlər, hadisələr və imkanlar əldə etmək üçün qeydiyyatdan keçin.


Tədqiqat mikroorqanizmlərin sərt mühitlərdə necə sağ qaldığını göstərir

Çilinin şimalında, Yer kürəsinin ən quraq yerlərindən biri olan Atakama səhrasında mikroorqanizmlər müstəmləkə etdikləri qayalardan su çıxararaq varlığını davam etdirə bilirlər.

Kaliforniya Universiteti, İrvine, Cons Hopkins Universiteti və Kaliforniya Universitetində, Riverside tədqiqatçıları tərəfindən Ordu tərəfindən maliyyələşdirilən layihə, fotosintetik mikrobların qədim qrupu olan bəzi siyanobakteriyaların sərt mühitlərdə sağ qalma mexanizmlərini dərindən başa düşdü.

Yeni anlayışlar, nəşr Milli Elmlər Akademiyasının Materialları, Mars da daxil olmaqla, suyun çox olmadığı yerlərdə həyatın necə inkişaf edə biləcəyini və quraq bölgələrdə yaşayan insanların nə vaxtsa mövcud minerallardan nəm əldə edə biləcəyini nümayiş etdirin.

"Ordu ekstremal mühitlərə yaxşı uyğunlaşan mikroorqanizmlərin material sintezi və bu sərt sahəli mühitlərdə enerji istehsalı kimi yeni tətbiqlər üçün necə istifadə oluna biləcəyinə böyük maraq göstərir" dedi Ordu Tədqiqat Ofisinin proqram meneceri Dr. ABŞ Ordusunun Döyüş Bacarıqlarının İnkişafı Komandanlığının Ordu Tədqiqat Laboratoriyasının elementi. "Bu tədqiqat bu yerli səhrada yaşayan mikrobların çoxsaylı ekoloji problemlər qarşısında həyat qabiliyyətini qorumaq üçün istifadə etdiyi inkişaf etmiş dizayn strategiyalarını aşkar etmək üçün dəyərli ipuçları verir."

Sahə və laboratoriya təcrübələri vasitəsilə tədqiqat qrupu dünyanın səhralarında rast gəlinən qurumağa davamlı siyanobakteriya növü olan Chroococcidiospsis və tərkibində kalsium sulfat əsaslı mineral olan gipsin qarşılıqlı təsirinə diqqət yetirib. Müstəmləkəçi həyat formaları nazik qaya təbəqəsinin altında mövcuddur ki, bu da onlara Atakama'nın həddindən artıq istiliyinə, yüksək günəş şüalanmasına və küləklərə qarşı qorunma ölçüsü verir.

JHU-nun biologiya üzrə dosenti, həmmüəllif Jocelyne DiRuggiero, gips nümunələri toplamaq üçün ucqar səhraya getdi və onları ABŞ-dakı laboratoriyalarına qaytardı. Mikroorqanizmlərin aşkar oluna biləcəyi kiçik parçaları kəsdi və materialların təhlili üçün UCI-yə göndərdi.

Tədqiqatın ən təəccüblü nəticələrindən birində tədqiqatçılar mikroorqanizmlərin tutduqları qayanın təbiətini dəyişdirdiyini öyrəndilər. Suyu çıxararaq, materialın faza çevrilməsinə səbəb olur - gipsdən anhidritə, susuzlaşdırılmış minerala.

DiRuggiero'ya görə, nəşr olunan iş üçün təkan material elmləri və mühəndislik üzrə UCI post-doktora alimi Wei Huang, Atacama'da toplanmış gips nümunələrində anhidrit və siyanobakteriyaların konsentrasiyalarının üst-üstə düşdüyünü göstərən məlumatları aşkar etdikdə gəldi.

"Mikrobların müstəmləkələşdiyi qaya bölgələrinin təhlili kalsium sulfatın susuzlaşdırılmış fazasını aşkar etdi ki, bu da onların sağ qalmaq üçün qayadan su çıxardıqlarını göstərir" dedi. "Biz bu fərziyyəni təsdiqləmək üçün daha çox nəzarət edilən təcrübələr etmək istədik."

DiRuggiero komandası daha sonra orqanizmlərə kupon adlanan yarım millimetrlik qaya kublarını iki fərqli şəraitdə, biri suyun mövcudluğunda, yüksək rütubətli mühiti, digəri isə tamamilə quruyaraq kolonizasiya etməyə icazə verdi. Rütubətin ortasında gips anhidrit fazasına çevrilmədi.

"Onların suya qayadan ehtiyacı yox idi, onu ətraflarından aldılar" dedi Kisailus. "Ancaq onlar stresli şərtlər altında qoyulduqda, mikrobların gipsdən su çıxarmaqdan başqa alternativi yox idi və materialda bu faza çevrilməsinə səbəb oldu."

Kisailus'un komandası bioloji və geoloji həmkarları arasındakı qarşılıqlı əlaqəni araşdırmaq üçün qabaqcıl mikroskopiya və spektroskopiyanın birləşməsindən istifadə edərək, orqanizmlərin üzvi turşuları ehtiva edən biofilm çıxararaq kiçik mədənçilər kimi materiala daxil olduğunu aşkar etdi.

Huang, Raman spektrometri ilə təchiz edilmiş dəyişdirilmiş elektron mikroskopdan istifadə edərək, orqanizmlərin turşudan qayaya xüsusi kristalloqrafik istiqamətlərdə - yalnız kalsium və sulfat ionlarının üzləri arasında mövcud olan suya daha asan daxil ola bildikləri müəyyən müstəvilərdə istifadə etdiyini aşkar etdi.

Kisailus, layihənin mikrobioloqlar və materialşünaslar arasında fənlərarası tədqiqatın böyük bir nümayişi olduğunu söylədi və bir gün digər elmi kəşflərə qapılar aça bilər.

"Alimlər uzun müddətdir ki, mikroorqanizmlərin minerallardan su çıxara biləcəyindən şübhələnirdilər, lakin bu, onun ilk nümayişidir" dedi DiRuggiero. "Bu, həyat üçün quru sərhəddə yaşayan mikroorqanizmlər üçün heyrətamiz bir sağ qalma strategiyasıdır və başqa yerlərdə həyat axtarışımıza rəhbərlik etmək üçün məhdudiyyətlər təqdim edir."

Tədqiqatçılar bu araşdırmanın Ordu Tədqiqat Laboratoriyasının sintetik biologiya sahəsindəki səylərinə fayda verə biləcəyini söylədi.

Laboratoriyanın biotexnologiya şöbəsindən Dr. Metyu Perisin, "Bu tapıntılar laboratoriyamızın marağına səbəb oldu, çünki mikrobların sağ qalma mexanizmləri sərt hərbi mühitlərdə bioistehsal və ya platformaların algılanması üçün istifadə edilə bilər".

Başlıq Şəkili – Yer kürəsinin ən quraq yerlərindən biri olan Şimali Çilinin Atakama səhrasında mikroorqanizmlər sərt küləklərdən və günəş radiasiyasından bir qədər qorunmaq üçün nazik qaya təbəqələrinin altında yaşayırlar. Su məhdud olsa da, bu süxurların içərisində struktur elementi kimi saxlanılır. Kredit: David Kisailus, Kaliforniya Universiteti - Irvine


Oksigen istehsal edən siyanobakteriyalar kompleks həyatı necə asanlaşdırdı

2,43 milyard il əvvəl. Mənbə, elmə görə, fotosintez edən siyanobakteriyalardır. Bəs bu mühüm dönüş niyə belə gec baş verdi? Siyanobakteriya həyatı, qaya nümunələrinin göstərdiyi kimi, GOE-dən ən azı 300 milyon il əvvəl mövcud idi. Achim Herrmann, who is researching the spread of early cyanobacteria in his doctoral thesis at TU Kaiserslautern, is hot on the trail for answers. His current research paper has now been published in the journal Təbiət Əlaqələri.

“There are many scientific theories that intertwine to explain why the proliferation of cyanobacteria required for the GOE was delayed,” explains Herrmann, who is working on his doctorate with Michelle Gehringer in Geomicrobiology. “For example, they may have originated in fresh water, which covered then, as now, only a fraction of Earth’s surface. It wasn’t until they adapted to saltier waters and finally inhabited the open ocean that they were able to form sufficient amounts of biomass to cause a global change in Earth’s atmosphere.” Another theory is that the iron-rich ocean water may have initially been toxic to the photosynthesizing bacteria. Iron had accumulated in the marine environment predominantly in the form of highly soluble, reduced iron(II) ions during the Earth’s then oxygen free “Archean” age.

In his research Herrmann built upon the iron toxin hypothesis. “We wanted to check whether iron(II) inhibits not only modern Cyanobacteria but also more primitive, marine strains, specifically Pseudanabaena sp. PCC7367 and Synechococcus sp. PCC7336, in their growth and photosynthetic activity,” said the biologist.

It quickly became apparent how crucial the experimental setup is. In already established systems where the bacteria are cultivated in closed glass bottles without oxygen, they demonstrated almost no growth: “The biological activity was very low in both strains, and almost completely suppressed in Synechococcus,” Herrmann says. The solution: “A custom-built anaerobic workstation from the TUK metal workshop, in whose chambers the composition of the atmosphere can be regulated fully and automatically,” he says. “Using this setup, we cultivated the cyanobacteria in large laboratory bottles with gas-permeable lids to allow gas exchange. The oxygen they produced was regularly removed from the system, and carbon dioxide was kept constant at proposed Archean atmospheric levels. Thus, we were able to realize a shallow marine oxygen oasis as implied in Archean rock samples.”

As expected, the cyanobacteria “felt more comfortable” in the more authentic environment. But what happened when iron was injected in increasing concentrations? The bacteria from the Pseudanabaena strain grew consistently well, but more slowly than in the control system. In contrast, the Synechococcus strain clearly decreased its rate of cell division as iron increased. The oxygen produced primarily oxidized the dissolved Fe(II) ions instead of escaping into the atmosphere. And the oxygen production rate for both strains reached significantly higher values in the anoxically adjusted experimental environment than in the control setup with an oxygenated atmosphere, like that which surrounds us today. This would suggest that modern day atmospheric oxygen levels impair photosynthesis when compared to the anoxic atmosphere of Earth’s past.

Stay on top of the latest Science News. Learn about biology , and the other interesting topics. Subscribe for free »

In addition, the formation of green rust, a mix of Fe(II) and oxidized iron Fe(III), was shown only in the culture system developed by Herrmann. The formation of green rust was accompanied by a strong decrease of biological activity, probably caused by iron oxides encrusting the bacterial cells. During the Archean, the formation of such green rust may have contributed decisively to banded iron formations, the most important source of iron ore today.

Finally, Herrmann changed the experimental scenario once again and simulated iron conditions for a tidal zone. Iron was added at night, when oxygen concentrations dropped towards zero due to no photosynthetic activity. The result: growth slowed significantly in both strains, but never stopped completely. This indicates that an Archean oxygen oasis could also have tolerated the influx of iron-rich water during the night. Here, too, the formation of green rust occurred, but could be further oxidized quickly and thus did not bring growth to a standstill.

All in all, Herrmann’s research has filled in more gaps in the puzzle of Earth’s history. He was able to illustrate for both cyanobacterial strains how the iron cycle might have proceeded in an Archean oxygen oasis, and that smaller colonized areas would probably have been sufficient for the start of the GOE due to the higher oxygen production rates. He has also developed a concept for growing cyanobacteria that better represents Archaean living conditions.

“I hope that with my research paper, I can help us better understand how our oxygen rich atmosphere was able to evolve in the first place,” Herrmann says.

Provided by: Technische Universität Kaiserslautern

More information: A. J. Herrmann et al. Diurnal Fe(II)/Fe(III) cycling and enhanced O2 production in a simulated Archean marine oxygen oasis. Təbiət Əlaqələri (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-22258-1

Şəkil: Achim Herrmann is researching the spread of early cyanobacteria.
Kredit: Koziel/TUK


Niches of extant prokaryotic phototrophs

The co-occurrence of cyanobacteria and anoxygenic phototrophs is common in euxinic lakes, phototrophic microbial mats, hot springs and hypersaline lagoons where sufficient fluxes of reduced compounds are available to support anoxygenic photosynthesis. The ability to harvest light and tolerance to oxygen are most often cited as the key factors governing occurrence of phototrophs in ecological niches along stratified water columns and mats. For instance, green and purple sulfur bacteria (GSB and PSB) are found in most sunlit, sulfidic environments, where PSB are generally found at more shallow depths in the water column or mats (Overmann and Garcia-Pichel, 2006 Meyer və b., 2011). GSB have lower light requirements and are generally less tolerant to oxygen. In addition, GSB have higher affinity for sulfide than PSB, conferring a competitive advantage over PSB when reduced sulfur compounds are limiting (Van Gemerden, 1984 Pringault və b., 1999 ). In contrast, a combination of sulfide and temperature appears to inhibit photosynthesis in alkaline hot springs above ∼70°C (Cox və b., 2011 Boyd və b., 2012 ).

Extant members of the phylum Siyanobakteriyalar are metabolically diverse and include species that can perform anoxygenic photosynthesis in the presence of high sulfide (Cohen və b., 1975a,b ) in environments where sulfide is present in the photic zone (Jørgensen və b., 1983 1986 ). Some cyanobacteria can also use hydrogen as an electron donor (Cohen və b., 1986 ), perform sulfide-dependent nitrogen fixation (Belkin və b., 1982 ), and/or grow photoheterotrophically (Kenyon və b., 1972 Rippka və b., 1979 ). This phenotypic diversity enables cyanobacteria to tolerate a variety of environmental extremes, and results in their ability to occupy niches in almost any environment where light is available, including many in which they are important primary producers. For example, benthic cyanobacterial mats in Solar Lake, Sinai, a hypersaline pond, undergo drastic yearly changes in temperature, salinity, oxygen, light and H2S. Cyanobacterial mats in Solar Lake are dominated by metabolically diverse cyanobacteria such as Osilatoriya species that are capable of anoxygenic photosynthesis and phototaxis (Cohen və b., 1975a Krumbien və b., 1977 ). Oxşar, Phormidium species survive freezing and desiccation in Antarctica (Taton və b., 2003 ) and persist in the low O2 conditions in the Middle Island Sinkhole of Lake Huron (Voorhies və b., 2012 ).

In some extant environments such as photic zones where oxygen and sulfide coexist, the ecological niches of anoxygenic phototrophs and cyanobacteria can overlap (Klatt və b., 2011 2013 ). For instance, in some stratified lakes, the oxic/anoxic interface is shallow and supports dense layers of anoxygenic phototrophs. These conditions mimic those thought to be present in areas of the Proterozoic oceans, especially along continental shelf margins. In these systems today, anoxygenic photosynthesis can be the main source of primary production (Van Gemerden and Mas, 1995 ).


Introduction to the Cyanobacteria

Cyanobacteria are aquatic and photosynthetic, that is, they live in the water, and can manufacture their own food. Because they are bacteria, they are quite small and usually unicellular, though they often grow in colonies large enough to see. They have the distinction of being the oldest known fossils, more than 3.5 billion years old, in fact! It may surprise you then to know that the cyanobacteria are still around they are one of the largest and most important groups of bacteria on earth.

Many Proterozoic oil deposits are attributed to the activity of cyanobacteria. They are also important providers of nitrogen fertilizer in the cultivation of rice and beans. The cyanobacteria have also been tremendously important in shaping the course of evolution and ecological change throughout earth's history. The oxygen atmosphere that we depend on was generated by numerous cyanobacteria during the Archaean and Proterozoic Eras. Before that time, the atmosphere had a very different chemistry, unsuitable for life as we know it today.

The other great contribution of the cyanobacteria is the origin of plants. The chloroplast with which plants make food for themselves is actually a cyanobacterium living within the plant's cells. Sometime in the late Proterozoic, or in the early Cambrian, cyanobacteria began to take up residence within certain eukaryote cells, making food for the eukaryote host in return for a home. This event is known as endosimbioz, and is also the origin of the eukaryotic mitochondrion.

Because they are photosynthetic and aquatic, cyanobacteria are often called "blue-green algae". This name is convenient for talking about organisms in the water that make their own food, but does not reflect any relationship between the cyanobacteria and other organisms called algae. Cyanobacteria are relatives of the bacteria, not eukaryotes, and it is only the xloroplast in eukaryotic algae to which the cyanobacteria are related.

Click on the buttons below to find out more about the Cyanobacteria.

-nin şəkilləri NostocOsilatoriya provided by the University of Wisconsin Botanical Images Collection.

For more information about cyanobacteria on the web, visit Cyanosite, a webserver dedicated to cyanobacterial research.

Information about the ecology of fresh-water cyanobacteria is available from the Soil and Water Conservation Society of Metro Halifax.

The Tree of Life has a preliminary page on the Cyanobacteria, with some very nice pictures.


Salt of the Early Earth

The next time you reach for that bag of salty chips, think for a moment about salt and life. Humans need a certain amount of salt it is necessary for the delivery of nutrients, the transmission of nerve impulses, and the contractions of the heart and other muscles. In fact, every form of life on this planet needs salt. But why should that be? What role did salt play in the evolution of life on Earth?

Scientists have long assumed that life originated in the sea. If life did spring from salt water, that could explain why all organisms use salt. But Paul Knauth, an astrobiologist with Arizona State University, says while we always assume that life came from the ocean, this theory has never been proven. He suggests we need to consider the possibility that life originated in fresh water.

“Fresh” water is somewhat of a misnomer – all fresh water bodies still do contain some salt. Non-marine salt levels are less than 1 part per thousand, while marine salt levels are around 35 parts per thousand. But when life first appeared around 3.5 billion years ago, the ocean was much saltier than it is today. Estimates of the early ocean’s salinity range between 1.2 to 2 times present-day salinity.

“Life is stressed today in the current ocean, so one can speculate that higher salinities make things even tougher,” says Knauth.

Salt does seem to have played some sort of role in the origin of life – it is the precise concentration of salts that is at issue. In constructing the steps that led to the first life form, many scenarios invoke the concentration of salts through evaporation.

“In the early saltier ocean, this would lead to a real devil’s brew,” says Knauth.

However, non-marine bodies of water have a wide range of changing environments. Knauth says that some of these fresh water environments probably had the optimal salinity for the kinds of molecular assembly proposed for the origin of life.

Shiladitya DasSarma, a professor at the University of Maryland Biotechnology Institute, Center of Marine Biotechnology, agrees that life could have originated in fresh water pools. So long as these pools had a certain amount of organic molecules, prebiotic evolution could have occurred. However, DasSarma thinks that life also could have begun in the early salty ocean. He has found that, due to the low water activity of hypersaline brines, macromolecules can form from organic molecules. A macromolecule is a very large molecule, such as a protein or other polymer.

The macromolecules in these salty waters, combined with other molecules, could have formed membranes capable of Darwinian evolution (and thus be classified as a life form).

Liquid water began accumulating on the surface of the Earth about 4 billion years ago, forming the early ocean. Most of the ocean’s salts came from volcanic activity or from the cooled igneous rocks that formed the ocean floor.

This volcanic activity also created island chains that grew over time. Tectonic plate movement caused these islands to collide, forming thecores of the continents. The continents developed fresh water lakes and ponds through rainfall and other meteorological processes.

Soon after both salty water and fresh water were available, life originated. The oldest fossils we have are from 3.5 billion-year-old cyanobacteria, but life probably emerged even earlier than that. Genetic analysis has shown that the archaean branch of life came first, appearing sometime before bacteria.

Immense bloom of a halophilic (“salt-loving”) archaean species at a salt works near San Quentin, Baja California Norte, Mexico.
Credit: UCMP

One form of archaea is adapted to live in high-salt environments. Known as “halophiles” (“salt lovers”), these organisms live in wet salty environments such as the Dead Sea and Utah’s Great Salt Lake. If halophiles were found to be the most ancient archaeans, the origin of life would point toward very salty water.

The specific antiquity of halophiles is not currently known, but because they breathe oxygen they are not believed to be one of the earliest forms of archaea. Oxygen wasn’t a major component of the Earth’s atmosphere until anaerobic organisms like cyanobacteria began producing it. However, DasSarma has some evidence that halophiles may lie very deeply in the tree of life.

DasSarma and his team have recently sequenced the genome of an extreme halophile called Halobacterium species NRC-1. DasSarma says that when the genes of Halobacterium NRC-1 are compared to other organisms, this halophile seems to be the most ancient archaean.

“This is very unexpected,” says DasSarma. “The small ribosomal RNA-based trees pointed to halophiles as recent relatives of a class of anaerobic archaea called methanogens, which have very simple metabolism involving methane production from inorganic gases.”

DasSarma says the close relationship between halophiles and methanogens never made sense because they do not share physiological capabilities: Halophiles need oxygen methanogens do not. But it turns out halophiles are able to produce energy without oxygen in two ways: from the degradation of arginine, and by using the photosynthetic molecule bacteriorhodopsin.

Perhaps these two methods of non-oxygen energy production are the last remnants from the halophile’s earlier, anaerobic days. As the Earth’s oxygen levels rose 2 billion years ago, the gas would have killed off many anaerobic organisms. In a process called “lateral gene transfer,” halophiles may have borrowed genes from aerobic bacteria in order to survive this increase in oxygen.

“Our analysis of genes in halophiles suggest common ancestry with many bacterial genes, for example, those involved in aerobic respiration,” says DasSarma. “Whether these are recently acquired by lateral gene transfers or have common ancestry with bacteria is currently being analyzed.”

The rise of oxygen as an atmospheric gas changed the face of life on Earth. Many life forms died out, while other life forms adapted to the new gas. But Knauth says the early ocean wouldn’t have absorbed very much of this oxygen. If the ocean was warm in its early days – and Knauth believes that the ocean 3.5 billion years ago was like hot tap water – then the combination of high temperature and high salinity would have resulted in an ocean with very little dissolved oxygen.

Oxygen-use has been linked with the development of complex life forms. Therefore, Knauth says the ancient, anoxic sea would have housed only the simpler organisms like anaerobic bacteria, while aerobic organisms and other complex life forms evolved in fresh water. But another dramatic environmental change was on the horizon: the formation of the continents led to a process that reduced the amount of salt in the ocean. Low-lying continental areas were sometimes flooded by ocean waters, but these shallow seas evaporated relatively quickly – in about 100 million years. The minerals left behind formed large salt basins, and this sequestered salt resulted in lower ocean salinity.

As the ocean cooled and salt basins began to form, the ocean would have been able to absorb more oxygen. This oxygen absorption opened up a new environmental niche for aerobic organisms, and the sea would have seen an explosion of new life forms. In fact, if the salt basins formed around 540 million years ago, Knauth believes ocean salt levels could have had a hand in the Cambrian Explosion.

Scientists still have not figured out what triggered the enormous increase in the diversity of life in the Cambrian era. But salt basins, forming in a brief period of time and decreasing the salinity of the oceans, would have had a profound impact on life.

“The currently favored view for the major control on the Cambrian explosion of life is that atmospheric oxygen levels built up until metazoan life was possible,” says Knauth. “These larger organisms need higher oxygen levels to survive. My point is that it is dissolved oxygen that is critical here, not just the atmospheric level. The arrival of big salt deposits on the continents in the latest Precambrian could have been one of the key factors that allowed the shallower oceans to finally oxygenate enough for metazoans to take to the sea.”

Halophilic life may have been transfered to Earth from Mars meteors.
Kredit: NASA

The role of salt in the origin and evolution of life is still an open question. To find answers, Knauth says scientists need to take a closer look at the depositional environments of sedimentary rocks that hold Precambrian microfossils. But what if the answer is not to be found in the rocks of Earth? If halophiles turn out to be the most ancient life form, perhaps we need to look at the red rocks of Mars for our answers.

Mars originally had much more salt than the Earth, and when Mars lost 50 to 90 percent of its water through evaporation it became even saltier. The Panspermia theory says that life originated elsewhere and then was transferred to Earth by meteors. If the earliest life forms were halophiles, says Knauth, then perhaps we are really Martians.

DasSarma finds the idea of halophilic life on Mars a fascinating concept. He says it may be possible to look for such life on Mars today.

“If indeed Mars is salty and life could have evolved there, it may still be trapped in brine inclusions within salt crystals,” says DasSarma. “Another property of earthly halophiles that may have some bearing on their ability to survive is that these organisms are extremely resistant to solar radiation, and therefore would be excellent candidates for interplanetary travel.”

DasSarma suggests it may be possible to discover what halophiles were like in their early days by studying salt bitterns: hypersaline brines that are left after the commercial production of salt. Like the early ocean, salt bitterns are anoxic as well as extremely salty.

“It is intriguing that the intracellular salt concentrations of modern halophiles resemble the potassium-enriched, sodium-depleted bitterns remaining after the harvesting of marine salt,” says DasSarma.

DasSarma says it may be possible to create a “prebiotic soup” of organic and inorganic components along with brine from a bittern. This mixture perhaps could allow growth of modern halophiles exhibiting some of their primordial capabilities.

Knauth, meanwhile, is working on the question of whether life evolved in the ocean and adapted to lower salinity environments, or whether life evolved in fresh water and then adapted to life in the oceans. He is looking at the fossil record of various non-marine environments to try to answer this question, and has found some very promising sites in Australia.

“Currently I’m exploring life on land in the Precambrian,” says Knauth. “I’m looking at non-marine environments to see if the fossil record indicates whether life could have originated in that environment rather than in the sea, as we’ve always thought.”


Blue-green algae

Redaktorlarımız təqdim etdiyinizi nəzərdən keçirəcək və məqaləyə yenidən baxılıb-bağlanmayacağınıza qərar verəcək.

Blue-green algae, həmçinin deyilir siyanobakteriyalar, any of a large, heterogeneous group of prokaryotic, principally photosynthetic organisms. Cyanobacteria resemble the eukaryotic algae in many ways, including morphological characteristics and ecological niches, and were at one time treated as algae, hence the common name of blue-green algae. Algae have since been reclassified as protists, and the prokaryotic nature of the blue-green algae has caused them to be classified with bacteria in the prokaryotic kingdom Monera.

Like all other prokaryotes, cyanobacteria lack a membrane-bound nucleus, mitochondria, Golgi apparatus, chloroplasts, and endoplasmic reticulum. All of the functions carried out in eukaryotes by these membrane-bound organelles are carried out in prokaryotes by the bacterial cell membrane. Some cyanobacteria, especially planktonic forms, have gas vesicles that contribute to their buoyancy. Chemical, genetic, and physiological characteristics are used to further classify the group within the kingdom. Cyanobacteria may be unicellular or filamentous. Many have sheaths to bind other cells or filaments into colonies.

Cyanobacteria contain only one form of chlorophyll, chlorophyll a, a green pigment. In addition, they contain various yellowish carotenoids, the blue pigment phycobilin, and, in some species, the red pigment phycoerythrin. The combination of phycobilin and chlorophyll produces the characteristic blue-green colour from which these organisms derive their popular name. Because of the other pigments, however, many species are actually green, brown, yellow, black, or red.

Most cyanobacteria do not grow in the absence of light (yəni, they are obligate phototrophs) however, some can grow in the dark if there is a sufficient supply of glucose to act as a carbon and energy source.

In addition to being photosynthetic, many species of cyanobacteria can also “fix” atmospheric nitrogen—that is, they can transform the gaseous nitrogen of the air into compounds that can be used by living cells. Particularly efficient nitrogen fixers are found among the filamentous species that have specialized cells called heterocysts. The heterocysts are thick-walled cell inclusions that are impermeable to oxygen they provide the anaerobic (oxygen-free) environment necessary for the operation of the nitrogen-fixing enzymes. In Southeast Asia, nitrogen-fixing cyanobacteria often are grown in rice paddies, thereby eliminating the need to apply nitrogen fertilizers.

Cyanobacteria range in size from 0.5 to 60 micrometres, which represents the largest prokaryotic organism. They are widely distributed and are extremely common in fresh water, where they occur as members of both the plankton and the benthos. They are also abundantly represented in such habitats as tide pools, coral reefs, and tidal spray zones a few species also occur in the ocean plankton. On land, cyanobacteria are common in soil down to a depth of 1 m (39 inches) or more they also grow on moist surfaces of rocks and trees, where they appear in the form of cushions or layers.

Cyanobacteria flourish in some of the most inhospitable environments known. They can be found in hot springs, in cold lakes underneath 5 m of ice pack, and on the lower surfaces of many rocks in deserts. Cyanobacteria are frequently among the first colonizers of bare rock and soil. Various types of associations take place between cyanobacteria and other organisms. Certain species, for example, grow in a mutualistic relationship with fungi, forming composite organisms known as lichens.

Cyanobacteria reproduce asexually, either by means of binary or multiple fission in unicellular and colonial forms or by fragmentation and spore formation in filamentous species. Under favourable conditions, cyanobacteria can reproduce at explosive rates, forming dense concentrations called blooms. Cyanobacteria blooms can colour a body of water. For example, many ponds take on an opaque shade of green as a result of overgrowths of cyanobacteria, and blooms of phycoerythrin-rich species cause the occasional red colour of the Red Sea. Cyanobacteria blooms are especially common in waters that have been polluted by nitrogen wastes in such cases, the overgrowths of cyanobacteria can consume so much of the water’s dissolved oxygen that fish and other aquatic organisms perish.

This article was most recently revised and updated by Chelsey Parrott-Sheffer, Research Editor.


Could cyanobacteria terraform Mars?

That blue-green algae has implications for astrobiology.

The bacteria that 3.5 billion years ago were largely responsible for the creation of a breathable atmosphere on Earth could be press-ganged into terraforming other planets, research suggests. A team of biologists and chemists from Australia, the UK, France and Italy has been investigating the ability of cyanobacteria – also known as blue-green algae – to photosynthesise in low-light conditions.

Cyanobacteria are some of the most ancient organisms around, and were responsible, though photosynthesis, for converting the Earth’s early atmosphere of methane, ammonia and other gases into the composition it sustains today.

The photochemistry used by the microbes is pretty much the same as that used by the legion of multicellular plants that subsequently evolved. The process involves the use of red light. Most plants are green because chlorophyll is bad at absorbing energy from that part of the visible light spectrum, and thus reflects it.

Light itself, however, is a critical component for photosynthesis, which is why plants (and suitably equipped bacteria) fail to grow in very dark environments. Just how dark such environments need to be before the process becomes impossible was the focus of the new research.

The team of scientists, which included Elmars Krausz from the Australian National University in Canberra, tested the ability of a cyanobacterial species called Chroococcidiopsis thermalis to photosynthesise in low light.

Previously it had been widely thought that the necessary photochemistry shut down at a light wavelength of 700 nanometres – a point known as the “red limit”.

Krausz and his colleagues, however, found that C. thermalis continued to photosynthesise at wavelengths up to 750 nanometres. The finding not only represents a significant extension of the low-light photosynthesis limit, but also describes a system that can function using much less biological fuel. The researchers call it an “unprecedented low-energy photosystem”.

The key, the scientists discovered, lies in the presence of previously undetected long-wavelength chlorophylls, which perform the necessary charge separation. The researchers traced the origin of these chlorophylls back to the C. thermalis genome, and discovered that it was located in a specific gene cluster that is common in many cyanobacterial species – suggesting that the ability to surpass the red limit is common.

To Krausz this low-light ability holds promise for the use of cyanobacteria as frontline terraforming agents. Establishing colonies on other planets would set in motion an atmospheric transformation that should – eventually – result in human-friendly conditions.

Of course, if some astrobiological theories are correct, cyanobacteria (or, at least, similar lifeforms) may already exist on other planets – in which case their ability to survive in harsh low-light conditions suggests a new target for detection.

“This might sound like science fiction, but space agencies and private companies around the world are actively trying to turn this aspiration into reality in the not-too-distant future,” says Krausz.

“Photosynthesis could theoretically be harnessed with these types of organisms to create air for humans to breathe on Mars.

“Low-light adapted organisms, such as the cyanobacteria we’ve been studying, can grow under rocks and potentially survive the harsh conditions on the red planet.”

Araşdırma jurnalda dərc olunub Elm.

Andrew Masterson

Andrew Masterson is a former editor of Cosmos.

Fantastik deyil, elmi faktları oxuyun.

Faktları izah etmək, dəlillərə əsaslanan bilikləri dəyərləndirmək və ən son elmi, texnoloji və mühəndislik nailiyyətlərini nümayiş etdirmək üçün heç vaxt bu qədər vacib vaxt olmayıb. Cosmos, insanları elm dünyası ilə əlaqələndirməyə həsr olunmuş xeyriyyə təşkilatı olan Avstraliya Kral İnstitutu tərəfindən nəşr edilmişdir. Maliyyə töhfələri, böyük və ya kiçik olsa da, dünyanın ən çox ehtiyac duyduğu bir vaxtda etibarlı elm məlumatlarına çıxışı təmin etməyə kömək edir. Zəhmət olmasa bu gün ianə edərək və ya abunə satın alaraq bizə dəstək olun.

Bağışlayın


Videoya baxın: عملي احياء دقيقة 1 - عصيات سلبية الغرام الكلبسليات الرئوية والقيح الأزرق (Sentyabr 2022).


Şərhlər:

  1. Atlas

    Don't take it to heart!

  2. Ariel

    səssizlik gəldi :)

  3. Arden

    Diqqətəlayiq, çox dəyərli cavab

  4. Wacfeld

    Şuraya təşəkkür edirəm, sizə necə təşəkkür edə bilərəm?



Mesaj yazmaq