Quando si tratta di lasciare un segno duraturo nella storia geologica, il mezzo fa la differenza, soprattutto nei paleo-oceani della Terra. Qui, durante l'Eone Archeano (4, 000-2, 500 milioni di anni fa) e talvolta durante il Proterozoico (2, 500-541 milioni di anni fa), quando l'ossigeno nell'atmosfera e negli oceani era molto più basso di oggi, i minerali sedimentari hanno conservato le firme dell'attività biologica sotto forma di trame fini create da comunità microbiche. Le condizioni ambientali in cui si formano rocce come queste determinano il modo in cui si sviluppa la struttura cristallina:più ordinata e a grana fine, migliore è la conservazione.

Comprensione, e meglio ancora, replicare come questi antichi minerali sono cresciuti fornisce informazioni sugli ambienti passati della Terra, e come gli organismi si sono sviluppati e si sono comportati. Una di queste rocce fossili si è rivelata difficile da copiare in laboratorio, fino ad ora.

I ricercatori del MIT e dell'Università di Princeton hanno trovato un modo per emulare una parte dell'antica Terra in laboratorio riproducendo uno di questi resistenti agli agenti atmosferici, minerali che trasportano informazioni, dolomite, la cui formazione ha lasciato a lungo perplessi gli scienziati. Un parente stretto di, e che può essere creato da, minerali che formano il calcare, la dolomite era pervasiva in passato; però, i ricercatori raramente lo trovano negli ambienti moderni. Sebbene sia creato da componenti che si trovano comunemente nell'acqua di mare, esistono barriere fisiche e cinetiche che impediscono la formazione di dolomite, strati di ioni carbonato (CO3-2) con atomi centrali alternati di calcio e magnesio. In alternativa, studi hanno riportato protodolomite, una roccia con una struttura cristallina disordinata, presente solo in ambienti moderni molto salati, ma questo minerale non conserva le stesse fini strutture microbiche del suo fratello più ordinato.

"Cercare prove di vita antica e di antichi processi, devi guardare le strutture microbiche. È lì che si trovano le informazioni. Alcune di queste informazioni sono conservate sotto forma di dolomite a grana molto fine, che precipita quasi mentre i microbi crescono. Preserva la lamina di questi tappeti microbici, "dice Tanja Bosak, professore associato presso il Dipartimento della Terra del MIT, Scienze atmosferiche e planetarie (EAPS) il cui laboratorio ha guidato la ricerca. Il suo gruppo utilizza la geobiologia sperimentale per esplorare i moderni processi biogeochimici e sedimentologici nei sistemi microbici e interpretare la registrazione della vita sulla Terra primordiale. Però, "c'è un grosso problema sull'origine della dolomite a grana fine in molte strutture microbiche nel tempo:non c'era un modo chiaro per produrre dolomite nelle condizioni della superficie terrestre".

I loro risultati pubblicati sulla rivista Geologia segnalare la prima creazione di dolomite ordinata e scoprire che il trucco per catturare queste trame potrebbe essere un impasto liquido di ioni manganese, acqua di mare, leggero, e un biofilm di anaerobi, metabolizzante dello zolfo, microbi fotosintetici in un ambiente privo di ossigeno.

I coautori dello studio sono l'ex postdoc EAPS Mirna Daye e il professore associato John Higgins della Princeton University.

Il problema delle Dolomiti e l'importanza dell'ordine

Fin dalla prima identificazione della dolomia nel XVIII secolo in quelle che oggi sono conosciute come le montagne dolomitiche dell'Italia settentrionale, gli scienziati sono rimasti perplessi sul modo in cui si forma la dolomite, e perché c'è così tanta dolomite antica e così poco minerale nei tempi moderni. Questo problema è stato soprannominato "il problema delle dolomie".

Gli scienziati hanno scoperto che la dolomite moderna può formarsi in due modi principali. Precipita quando è superficiale, l'acqua di mare ipersalina viene riscaldata, e quando il calcare incontra l'acqua ricca di magnesio, come una profonda barriera corallina invasa da soluzioni di acqua di mare. Però, entrambi i metodi producono grandi cristalli che oscurano gran parte delle informazioni biologiche. Nell'acqua di mare moderna, però, aragonite e calcite (diverse strutture cristalline del carbonato di calcio) hanno maggiori probabilità di precipitare rispetto alla dolomite. "Non è difficile fare la dolomite se scaldi un bicchiere di acqua di mare a temperature molto alte, ma non lo otterrai mai alla temperatura e alla pressione della superficie terrestre da solo, " dice Bosak. "E 'davvero difficile ottenere il magnesio nei minerali; non vuole davvero entrare nel reticolo cristallino." Questa è una parte del quadro più ampio. Inoltre, questi meccanismi non tengono conto delle variazioni minerali (manganese o dolomite ricca di ferro) osservate durante i periodi Archeano e Proterozoico che hanno preservato queste strutture. "Vedi che l'acqua del mare è satura rispetto alla dolomite, [ma] semplicemente non si forma, quindi c'è qualche barriera cinetica a questo."

Fu solo all'inizio del XX secolo che un microbiologo russo dimostrò il potenziale per i batteri anaerobi di causare la formazione di dolomite dai minerali nell'acqua dell'oceano, un processo chiamato biomineralizzazione. Da allora, ricercatori hanno scoperto che negli ambienti moderni, i biofilm - contenenti microbi fotosintetici e la matrice organica viscida che espellono per la loro casa (sostanze esopolimeriche) - in pozze di acqua salata altamente evaporative possono fornire una superficie su cui la dolomite può nuclearsi e crescere. Però, questi biofilm non sono fotosintetici. In contrasto, molte strutture microbiche che sono state conservate prima dell'aumento dell'ossigeno sono cresciute in ambienti marini meno salati e si pensa che siano state prodotte da comunità microbiche fotosintetiche. Inoltre, la posizione degli ioni e dei microbi ritenuti coinvolti in questo processo probabilmente differiva in passato. I microbi del passato si affidavano al solfuro, idrogeno, o ioni di ferro per la fotosintesi. I ricercatori sospettano che più di 2 miliardi di anni fa, manganese e ioni di ferro erano presenti più in alto nei sedimenti oceanici o persino nella colonna d'acqua. Oggi, a causa dell'atmosfera ossigenata, sono sepolti più in profondità nei sedimenti dove possono verificarsi condizioni anaerobiche. Però, la mancanza di luce solare significa che qui non crescono tappeti microbici, quindi nemmeno la dolomite.

Mentre il suggerimento del coinvolgimento microbico è stato un passo importante per risolvere il problema della dolomite, le questioni dell'ordinamento e della formazione dei cristalli nella zona marina illuminata dal sole, dove i microbi colonizzano i sedimenti, erano ancora irrisolti.

Riprodurre il passato

Durante lo studio della conservazione sedimentologica precoce, il gruppo ha eseguito una serie di esperimenti replicando le condizioni di questi antichi oceani con un'atmosfera anaerobica. Hanno usato una combinazione di biofilm moderni, ambienti chiari/bui, e acqua di mare modificata per imitare le prime condizioni della Terra con e senza manganese, uno dei metalli spesso presenti nel minerale e pensato per facilitare la crescita batterica. I ricercatori hanno usato i microbi di un lago nello stato di New York, da profondità prive di ossigeno.

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno notato qualcosa di inaspettato:il minerale più abbondante nei biofilm era la dolomite altamente ordinata, e le fiale che hanno prodotto i microbi fotosintetizzanti e il manganese più contenuti, un risultato coerente con i rapporti sul campo. Mentre le stuoie crescevano verso la luce, cristalli accumulati su di loro, con il più antico sul fondo che cattura minuscoli movimenti dove ora c'erano tappeti microbici degradati. Più ampia è la copertura, minore è la porosità, che riduceva le possibilità di infiltrazione di liquidi, interagendo con e dissolvendo i minerali, ed essenzialmente la cancellazione dei dati. Gli esperimenti privi di manganese o eseguiti al buio (non fotosintetizzanti) hanno sviluppato dolomite disordinata. "Non capiamo esattamente perché il manganese e i microbi abbiano quell'effetto, ma sembra che lo facciano. È quasi come una conseguenza naturale di quei tipi di condizioni, "dice Bosak. Tuttavia, "È stato un grosso problema mostrare che ciò può effettivamente accadere".

Ora che il team ha trovato un modo per produrre dolomite ordinata, hanno in programma di esaminare il motivo per cui si forma, variazioni, e come la roccia registra le condizioni ambientali in cui si forma. Dopo aver visto l'effetto che il manganese aveva sulla dolomite, i ricercatori esamineranno gli ioni di ferro, che si integrava in queste antiche rocce. "Il ferro sembra anche stimolare la formazione dell'incorporazione di magnesio in questo minerale, per qualsiasi ragione, "dice Bosak.

Indagheranno anche le interazioni microbiche uniche e le proprietà fisiche presenti per vedere quali componenti sono essenziali per la precipitazione della dolomite. Le nicchie individuali che ogni organismo anaerobico occupa sembrano aiutare la comunità a crescere, elementi del ciclo, sostanze degradate, e fornire una superficie per i cristalli. Il gruppo Bosak lo farà fossilizzando vari organismi nelle stesse o diverse condizioni ambientali per vedere se possono produrre dolomite. Durante questi esperimenti, monitoreranno quanto bene la dolomite registra la temperatura alla quale è stata prodotta, così come la composizione chimica e isotopica della soluzione circostante, per capire meglio il processo.

"Penso che ci dica che, quando cerchiamo di interpretare il passato, è un pianeta davvero diverso:diversi tipi di organismi, diversi tipi di metabolismo che erano dominanti, "dice Bosak, "e penso che stiamo appena iniziando a scalfire la superficie di quali possibili esiti minerari, che tipo di risultati strutturali possiamo anche aspettarci."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.