Полезные ископаемые которые образовываются при участии бактерий



Ископаемые бактерии и их роль в природе {

Regnum BACTERIA (греч. bacterion – палочка) Бактерии представляют собой микроорганизмы, размер которых обычно около 1 -5 мкм. В океанах рядом с “чёрными” и “белыми” курильщиками обнаружены гигантские бактерии размером до 1 см. Достоверные находки бактерий известны из кремнистых пород возрастом около 3, 5 млрд лет. Проблематичные находки датируются с уровня 3, 8 млрд лет.

В последнее десятилетие интенсивно развивается новая область палеонтологии – наука об ископаемых бактериях. Оказалось, что в камне сохраняются не только останки крупных скелетов динозавров или моллюсков, но и разнообразные остатки микроорганизмов. Именно эти находки рассказывают нам о самых ранних проявлениях земной жизни, о том, какой была наша планета два миллиарда лет назад.

О том, что микроорганизмы, и прежде всего археи и бактерии, играют огромную роль в геологических процессах, ученые догадывались давно. Не вызывало сомнений огромное значение микроорганизмов в процессах выветривания (разрушения) горных пород, в формировании месторождений полезных ископаемых, разрушении нефтей, переотложении некоторых пород и полезных ископаемых и т. д. Последние 15 -20 лет можно считать временем, весьма значимым для начала осознания многих эволюционных, седиментологических и биосферных вопросов в связи с развитием геомикробиологии, т. е. науки о взаимодействии микроорганизмов с различными материалами, включая горные породы (Banfiеld, Nealson, 1997), интенсивным изучением цианобактериальных матов (Заварзин, 1994) и более простых биопленок и, наконец, становлением бактериальной палеонтологии (Розанов, Заварзин, 1997). Именно в процессе бактериально-палеонтологических исследований стало ясно, что микроорганизмы, и особенно бактерии, очень часто прекрасно фоссилизируются и великолепно сохраняются в ископаемом состоянии. Начало было положено Т. С. Баргхурном, его коллегами и учениками (Barghoorn, Tylor, 1965; Sсhopf, 1983), но долгое время считалось, что перкрасная сохранность характерна для микроорганизмов только в кремнистых породах.

Рис. 1. Современные (а) и раннекембрийские (б) цианобактерии.

Биоплёнка — множество (конгломерат) микроорганизмов, расположенных на какой-либо поверхности, клетки которых прикреплены друг к другу. Обычно клетки погружены в выделяемое ими внеклеточное полимерное вещество (внеклеточный матрикс) — слизь. Развитие биоплёнки, а иногда и саму биоплёнку также называют биообрастанием. Термин «биоплёнка» определяется по-разному, но в целом можно сказать, что биоплёнка — обладающее пространственной и метаболической структурой сообщество (колония) микроорганизмов, расположенных на поверхности раздела сред. и погружённых во внеклеточный полимерный матрикс. Обычно биоплёнки образуются в контакте с жидкостями при наличии необходимых для роста веществ. Поверхность, к которой прикреплена биоплёнка, может быть как неживой (камни), так и поверхностью живого организма (стенки кишечника, зубы). Считается, что 95 -99% всех микроорганизмов в естественной среде существует в виде биоплёнки.

Что же касается более просто устроенных биопленок, то они распространены повсеместно, прежде всего на всех поверхностях и особенно там, где имеется любая степень смачиваемости. Их толщина может измеряться всего лишь первыми десятками нанометров. Основная масса биопленок состоит из полисахаридов, продуцируемых отдельными клетками обычно микронной размерности, но нередко и размером в первые сотни нанометров (так называемые нанобактерии) (Falk and Lynch, 1997). При этом фоссилизация тончайших биопленок тоже происходит стремительно, и они также могут хорошо сохраняться в ископаемом состоянии (рис. 2).

Рис. 2. Современные (а) и ископаемые (б) биопленки. Толщина биопленок несколько десятков нанометров.

Значение бактерий при формировании минералов и пород обсуждалось неоднократно и породило множество интереснейших результатов. Более 20 лет назад Г. Ловенштам и С. Вейнер (Lowenstam, Weiner, 1989) указали в своей сводке около 20 минералов, образующихся при активном участии бактерий. Это могут быть образования внутри клеток, такие как магнетит или сульфиды железа у магнетотактических бактерий (Kirshvink et al. , 1985; Devouagard et al. , 1998; Posfai et al. , 1998 ), в чехлах, как фосфатные и другие минералы (Герасименко и др. , 1999; Zhegallo et al. , 2000), а иногда одновременно и внутри, и снаружи клетки (Westall et al. , 1995), проходя через оболочку, как в случае с марганцевыми минералами (Tebo et al. , 1997). Несомненно, что маты и биопленки могут служить фильтром и таким образом накапливать те или иные элементы (Жмур и др. , 1994). Несомненна также роль гликокаликса (или полисахаридов в пленках) как катализатора. Сегодня описано уже более 100 минералов, образование которых может быть связано с деятельностью бактерий (Tazaki et al. , 1997; Banfield and Nealson, 1997; American Mineralogist, 1998; Fortin et al. , 1998; Герасименко и др. , 1999). Особенно интересно обнаружение среди них кварца, кристобалита, барита, полевого шпата, слоистых силикатов (глинистых минералов), многочисленных минералов железа и марганца, доломита (Vasconcelos et al. , 1995) и даже форстерита (Gorbushina et al. , 2001). Результаты изучения ископаемых бактерий показывают, что минералообразование под влиянием бактерий или с их участием – процесс, который происходил на Земле всегда (Бактериальная палеонтология, 2002; Ponomarenko, 2002; Rozanov, 2002; Simakova, 2002).

Естественен, однако, вопрос: почему, зная все это, седиментологи (специалисты, занимающиеся изучением закономерности осадкообразования) мало уделяли внимания роли микроорганизмов? Здесь две основные причины. Первая – это то, что только в последнее время после внедрения сканирующего электронного микроскопа и выяснения практически мгновенной скорости окаменения бактерий стали доступны их непосредственные наблюдения. А вторая причина состоит в том, что актуалистические модели седиментации (процесса осадкообразования) не могут в полной мере объяснить закономерности седиментации прошлого. Дело в том, что сегодняшнее обилие суши с резкими контрастными глубинами океанов и высотой гор (высокое стояние материков) является достаточно уникальным в истории Земли. Гораздо чаще материки в значительной мере были покрыты морями, аналогов которых по своим параметрам практически сегодня нет. Эти бассейны у геологов называются эпиконтинентальными. Точно так же до определенного времени, вероятно, не было столь глубоких огромных океанов. Особенно не схожая с современностью картина была в палеозое (кембрий, ордовик, силур, девон, карбон и пермь). На палеогеографических картах можно хорошо видеть, сколь обширные участки современных континентов были заняты морями.

Теперь кратко остановимся на специфике эпиконтинентальных бассейнов прошлого. Прежде всего отметим, что их аналогов бассейнов в настощее время практически нет. Это были огромные по площади мелководные бассены, занимавшие часто большую часть кратонов (рис. 3). Дно этих бассейнов находилось преимущественно в пределах фотической зоны. Это приводило к тому, что вся водная масса и донные осадки были буквально напичканы бактериями или, точнее, микроорганизмами. В отличие от эпиконтинентальных морей, современные океанические бассейны имеют насыщенный бактериальный мир только в приповерхностном и придонном слоях. Насыщенность воды и осадка микроорганизмами и полисахаридами способствовала сохранению в ископаемом состоянии следов ряби и деликатных по строению организмов.

Рис. 3. Распределение эпиконтиненталь ных бассейнов в раннем кембрии (а), раннем ордовике (б) и позднем девоне (в) по Розанову, 1999. Обозначения: 1 – суша, 2 – море.

Основной вывод из всех работ таков: бактерии и биопленки сохраняются очень хорошо в ископаемом состоянии, они присутствуют во всех осадочных породах, поскольку очень быстро фоссилизируются (обычно всего за несколько часов). Такое положение вещей вполне соответствует тому, что сегодня бактерии встречаются везде, в любых средах и на любых поверхностях, и без их участия не обходится ни выветривание, ни перенос материала, ни седиментация, ни диагенез осадков.

Важнейшие функции бактерий Бактерии —преобразователи биомассы. Мёртвые организмы как растительного, так и животного происхождения подвергаются усердной обработке бактериями, которые превращают мёртвые клетки организмов в почву и удобрения, таким образом поддерживая «круговорот биомассы» в природе. Бактерии — поглотители азота. Только бактериям под силу ассимилировать азот, который затем поступает в качестве удобрения в почву. Бактерии — поставщики кислорода и углекислого газа. Бактерии постоянно пополняют атмосферу Земли кислородом. Бактерии — создатели полезных ископаемых. Многие полезные ископаемые создаются веками и тысячелетиями из биомассы при участии воздуха, воды, почв и бактерий.

Благодарю за внимание