Железные руды джеспелиты очень красивы. Это - тонкослоистые породы, в которых прослойки кварца переслаиваются с прослойками гематита ( Fe2O3 ) или магнетита (FeO·Fe2O). Узоры получаются дивные, но замечательно в них не только это. Палеонтологи давно подозревали, что все эти накопления оксида железа в земной коре имеют биогенное происхождение.
Джеспелиты – продукт жизнедеятельности бактерий, которые жили на Земле сотни миллионов и миллиарды лет назад, в протерозойский и архейский периоды. Пик формирования полосчатых железных руд приходится как раз на конец архея — начало протерозоя (примерно 2,6–2,4 млрд лет назад), то есть на период, предшествовавший Кислородной катастрофе.
Микроорганизмы, в метаболизме которых железо играет важнейшую роль, известны и сейчас. Например, сразу целая группа была обнаружена при изучении знаменитого Кровавого водопада в Антарктиде.
Водопад расположен в восточной части континента недалеко от побережья. На первых исследователей он произвёл неизгладимое впечатление. Сначала предположили, что дело в красных водорослях, но потом оказалось, что кроваво-красным цветом водопад обязан окисленному двухвалентному железу. Которое, в свою очередь, является продуктом жизнедеятельности микроскопических организмов. Как оказалось, вода здесь выходит наружу через трещины из древнего подлёдного озера. Оно покрыто слоем льда в 400 м, никакой свет туда не проникает, однако, там существует жизнь.
Озеро возникло около двух миллионов лет назад, когда море наступало на сухие долины Антарктиды, а затем ледник Тэйлора отрезал воде путь к отступлению. За это долгое время химический состав воды сильно изменился. Теперь она в четыре раза солонее чем в мировом океане и не замерзает даже при минус десяти градусах по Цельсию. Тьма, вечная мерзлота , соль… Казалось бы, какая тут может быть жизнь? Ответ: очень необычная, но вполне земная.
Пробы воды из трещин, питающих Кровавый водопад, забирались регулярно в течение шести лет. Кислорода в ней почти не было, зато обнаружилось 17 видов бактерий. В процессе своей жизнедеятельности, они превращают нерастворимое трёхвалентное железо, в хорошо растворимое двухвалентное. Результаты исследования были опубликованы в 2009 г. Кстати, с название водопада – не совсем метафора, ведь красным цветом нашей собственной крови мы тоже обязаны присутствию железа.
Полосчатые железные руды формировались в докембрийских морях в результате окисления растворенного в воде двухвалентного железа. На дне осаждались оксиды и оксигидроксиды железа смешанной валентности, с преобладанием трехвалентного Fe(III). Бактерии, которые могли сыграть в этом процессе ключевую роль, были похожи на антарктические не во всём, ведь они жили на миллиарды лет раньше, и жили не во тьме. Скорее всего, они использовали бескислородный фотосинтез с участием железа, были фотоферротрофами. Чередование полос в породах, то тонких – не больше миллиметра, то толстых –до нескольких сантиметров, указывает на периодичность процесса осаждения, что скорее всего связано со сменой времён года. Сезон, когда в водной толще бурно размножались бактерии (лето), оставлял след в породе в виде красной насыщенной железом полосы. Зимой формировалась бедная железом кварцевая прослойка.
Такая теория формирования джеспелитов выглядела очень правдоподобно и нравилась почти всем, но всё же до недавнего времени в ней было одно слабое место. В залежах железистых кварцитов находят слишком мало углерода, что как будто говорит не в пользу их биогенного происхождения. Органические молекулы, должны были оставлять при разложении углерод.
До сих пор эксперименты показывали, что железосодержащие частицы, образующиеся в качестве побочного продукта при фотосинтезе, прочно прилипают к клеткам фотосинтезирующих бактерий. Поверхность таких частиц обычно заряжена положительно, а поверхность бактериальных клеток — отрицательно. Вот только до сих пор учёные имели дело исключительно с фотоферротрофами, ведущими донный образ жизни. В то время, как микроорганизмы, ответственные за формирования полосатых железных руд должны были быть пелагическими, то есть парящими в толще воды.
Из ныне живущих пелагический фотоферротроф известен только один. Это бактерия Chlorobium phaeoferrooxidans, обитающая в озере Киву в Восточной Африке. Наконец, учёные добрались и до неё.
С Chlorobium phaeoferrooxidans и несколькими донными фотосинтезирующими бактериями был проведён ряд экспериментов. Их выращивали в воде с разными концентрациями двухвалентного железа, фосфора и кремния. А потом 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. Оказалось, что Chlorobium phaeoferrooxidans связывается с железосодержащими частицами в гораздо меньшей степени, чем донные бактерии. В принципе, это можно было предугадать, 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.
Дополнительные эксперименты показали, что склонность железосодержащих частиц прилипать к бактериальным клеткам зависит, не только от свойств клеточной поверхности, но и от химического состава окружающей среды, в частности — от наличия в воде 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. Если их очень много, осаждающиеся частицы становятся нейтральными или даже отрицательно заряженными. Если поверхность клетки отрицательно заряжена, они от неё отталкиваются, ну или по крайней мере прилипают к ней не слишком сильно .
Именно это происходит с пелагическим Chlorobium phaeoferrooxidans, когда ему создают «архейские» условия. Поверхность клетки несет сильный отрицательный заряд, и железные частицы от нее отталкиваются. У донного C. ferrooxidans в тех же условиях поверхностный заряд почти отсутствует, поэтому частицы прилипают к нему сильнее. В первом случае железо осаждается, а масса органики тонет на 4–5 порядков медленнее. Она уносится течением и разлагается где-нибудь в другом месте. Скорее всего, конечным продуктом этого разложения является выброшенный в атмосферу метан.
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 их захоронение происходило отдельно от биомассы. Так что малое содержание углерода в джеспелитах никоим образом не опровергает их биогенного происхождения.
Если вам понравился материал, не забудьте поставить "лайк". Спасибо.
