Cuando se trata de dejar una huella duradera en la historia geológica, el medio marca la diferencia, especialmente en los paleoocéanos de la Tierra. Aquí, durante el Eón Arcaico (4, 000-2, Hace 500 millones de años) y en ocasiones durante el Proterozoico (2, 500-541 millones de años), cuando el oxígeno en la atmósfera y los océanos era mucho más bajo que en la actualidad, Los minerales sedimentarios conservan firmas de actividad biológica en forma de finas texturas creadas por comunidades microbianas. Las condiciones ambientales bajo las cuales se forman rocas como estas dictan cómo se desarrolla la estructura cristalina:las más ordenadas y de grano fino, mejor la conservación.

Comprensión, y mejor aun, replicar cómo crecieron estos minerales antiguos proporciona información sobre los entornos anteriores de la Tierra, y cómo se desarrollaron y se comportaron los organismos. Una de estas rocas que contienen fósiles ha resultado difícil de copiar en el laboratorio, hasta ahora.

Investigadores del MIT y la Universidad de Princeton han encontrado una manera de emular una parte de la Tierra antigua en el laboratorio reproduciendo uno de estos resistentes a la intemperie. minerales portadores de información, dolomita, cuya formación ha dejado perplejos a los científicos durante mucho tiempo. Un pariente cercano a, y que se puede crear a partir de, minerales que hacen piedra caliza, la dolomita fue omnipresente en el pasado; sin embargo, los investigadores rara vez lo encuentran en entornos modernos. Si bien se crea a partir de componentes que se encuentran comúnmente en el agua de mar, existen barreras físicas y cinéticas que evitan la formación de dolomita:capas de iones de carbonato (CO3-2) con átomos centrales alternados de calcio y magnesio. Alternativamente, estudios han informado protodolomita, una roca con una estructura cristalina desordenada, ocurre sólo en ambientes modernos muy salados, pero este mineral no conserva las mismas texturas microbianas finas que su hermano más ordenado.

"Para buscar evidencia de vida antigua y procesos antiguos, tienes que mirar las estructuras microbianas. Ahí es donde está la información. Parte de esa información se conserva en forma de dolomita de grano muy fino, que se precipita casi a medida que crecen los microbios. Conserva la lámina de estas esteras microbianas, "dice Tanja Bosak, profesor asociado en el Departamento de Tierra del MIT, Ciencias Atmosféricas y Planetarias (EAPS) cuyo laboratorio dirigió la investigación. Su grupo utiliza la geobiología experimental para explorar procesos biogeoquímicos y sedimentológicos modernos en sistemas microbianos e interpretar el registro de la vida en la Tierra primitiva. Sin embargo, "Hay un gran problema sobre el origen de la dolomita de grano fino en muchas estructuras microbianas a lo largo del tiempo:no había una forma clara de producir dolomita en las condiciones de la superficie de la Tierra".

Sus resultados publicados en la revista Geología informan de la primera creación de dolomita ordenada y descubren que el truco para capturar estas texturas puede ser una mezcla de iones de manganeso, Agua de mar, luz, y una biopelícula de anaeróbicos, metabolizador de azufre, microbios fotosintéticos en un ambiente libre de oxígeno.

Los coautores del estudio son Mirna Daye, ex postdoctoral de EAPS, y el profesor asociado John Higgins de la Universidad de Princeton.

El problema de las dolomitas y la importancia del orden

Desde la primera identificación de dolomita en el siglo XVIII en lo que ahora se conoce como las montañas Dolomitas del norte de Italia, Los científicos se han quedado perplejos por cómo se forma la dolomita, y por qué hay tanta dolomita antigua y tan poco mineral en los tiempos modernos. Este problema se denominó "el problema de la dolomita".

Los científicos han descubierto que la dolomita moderna se puede formar de dos formas principales. Se precipita cuando es poco profundo, se calienta el agua de mar hipersalina, y cuando la piedra caliza se encuentra con agua rica en magnesio, como un arrecife profundo invadido por soluciones de agua de mar. Sin embargo, ambos métodos producen cristales grandes que oscurecen gran parte de la información biológica. En agua de mar moderna, sin embargo, La aragonita y la calcita (diferentes estructuras cristalinas de carbonato de calcio) tienen más probabilidades de precipitarse que la dolomita. "No es difícil hacer dolomita si calientas un vaso de precipitados con agua de mar a temperaturas muy altas, pero nunca lo obtendrá a la temperatura y presión de la superficie de la Tierra por sí solo, "dice Bosak." Es muy difícil incorporar magnesio a los minerales; realmente no quiere entrar en la red de cristal ". Esa es una parte de la imagen más grande. Además, estos mecanismos no tienen en cuenta las variaciones minerales (manganeso o dolomita rica en hierro) observadas durante los períodos Arcaico y Proterozoico que conservaron estas texturas. "Ves que el agua de mar está saturada con respecto a la dolomita, [pero] simplemente no se forma, así que hay una barrera cinética para eso ".

No fue hasta principios del siglo XX que un microbiólogo ruso demostró el potencial de las bacterias anaeróbicas para causar la formación de dolomita a partir de minerales en el agua del océano. un proceso llamado biomineralización. Desde entonces, Los investigadores han descubierto que en entornos modernos, Las biopelículas, que contienen microbios fotosintéticos y la matriz orgánica viscosa que excretan para su hogar (sustancias exopoliméricas), en piscinas de agua salada altamente evaporativas pueden proporcionar una superficie sobre la cual la dolomita puede nuclearse y crecer. Sin embargo, estas biopelículas no son fotosintéticas. A diferencia de, muchas estructuras microbianas que se conservaron antes del aumento de oxígeno crecieron en ambientes marinos menos salados y se cree que fueron producidas por comunidades microbianas fotosintéticas. Adicionalmente, la ubicación de los iones y microbios que se cree que están involucrados en este proceso probablemente difirió en el pasado. Los microbios del pasado dependían del sulfuro, hidrógeno, o iones de hierro para la fotosíntesis. Los investigadores sospechan que hace más de 2000 millones de años, Los iones de manganeso y hierro estaban presentes más arriba en los sedimentos del océano o incluso en la columna de agua. Hoy dia, debido a la atmósfera oxigenada, están enterrados más profundamente en sedimentos donde pueden ocurrir condiciones anaeróbicas. Sin embargo, la falta de luz solar significa que las esteras microbianas no crecen aquí, tampoco la dolomita.

Si bien la sugerencia de la participación microbiana fue un paso importante para resolver el problema de la dolomita, las cuestiones de ordenación y formación de cristales en la zona marina iluminada por el sol, donde los microbios colonizan los sedimentos, aún estaban sin resolver.

Reproduciendo el pasado

Mientras investigaba la preservación sedimentológica temprana, el grupo realizó una serie de experimentos replicando las condiciones de estos antiguos océanos con una atmósfera anaeróbica. Utilizaron una combinación de biopelículas modernas, ambientes claros / oscuros, y agua de mar modificada para imitar las condiciones de la Tierra primitiva con y sin manganeso, uno de los metales que se encuentran a menudo en el mineral y que se cree que facilita el crecimiento bacteriano. Los investigadores utilizaron microbios de un lago en el estado de Nueva York, de profundidades que carecen de oxígeno.

En sus experimentos, los investigadores notaron algo inesperado:que el mineral más abundante en las biopelículas era la dolomita muy ordenada, y los viales que produjeron la mayor cantidad de microbios fotosintetizadores y manganeso, un resultado consistente con los informes de campo. Mientras las esteras crecían hacia la luz, cristales acumulados sobre ellos, con el más viejo en la parte inferior capturando pequeños meneos donde solían estar las esteras microbianas ahora degradadas. Cuanto más extensa sea la cobertura, cuanto menor es la porosidad, lo que redujo las posibilidades de que los fluidos se infiltraran en ellos, interactuar con los minerales y disolverlos, y esencialmente borrar datos. Los experimentos sin manganeso o realizados en la oscuridad (sin fotosíntesis) desarrollaron dolomita desordenada. "No entendemos exactamente por qué el manganeso y los microbios tienen ese efecto, pero parece que sí. Es casi como una consecuencia natural de ese tipo de condiciones, "dice Bosak. No obstante, "Fue muy importante demostrar que eso realmente puede suceder".

Ahora que el equipo ha encontrado una forma de hacer dolomita ordenada, planean investigar por qué se forma, variaciones, y cómo la roca registra las condiciones ambientales en las que se forma. Después de ver el efecto que tenía el manganeso en la dolomita, los investigadores observarán los iones de hierro, que se integró en estas rocas antiguas. "El hierro también parece estimular la formación de la incorporación de magnesio en este mineral, por cualquier razón, "dice Bosak.

También investigarán las interacciones microbianas únicas y las propiedades físicas presentes para ver qué componentes son esenciales para precipitar la dolomita. Los nichos individuales que ocupa cada organismo anaeróbico parecen ayudar a la comunidad a crecer, elementos del ciclo, degradar sustancias, y proporcionar una superficie para cristales. El grupo Bosak hará esto fosilizando varios organismos bajo las mismas o diferentes condiciones ambientales para ver si pueden producir dolomita. Durante estos experimentos, controlarán qué tan bien registra la dolomita la temperatura a la que se hizo, así como la composición química e isotópica de la solución circundante, para comprender mejor el proceso.

"Creo que nos dice que, cuando intentamos interpretar el pasado, es un planeta realmente diferente:diferentes tipos de organismos, diferentes tipos de metabolismos que eran dominantes, "dice Bosak, "y creo que estamos empezando a rascar la superficie de los posibles resultados minerales, qué tipo de resultados de textura podemos esperar ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.