Badania Jeziora Superior rzucają światło na starożytny cykl siarki w oceanie

Geochemik Alexandra Phillips ma na myśli siarkę. Żółty pierwiastek jest niezbędnym makroelementem i ona próbuje zrozumieć, w jaki sposób krąży w środowisku. W szczególności interesuje ją obieg siarki w starożytnych oceanach Ziemi, około 3 miliardy lat temu.

Na szczęście ubogie w składniki odżywcze wody jeziora Superior oferują mile widziany wgląd w przeszłość. „Naprawdę trudno jest spojrzeć wstecz na miliardy lat” – powiedział Phillips, były pracownik naukowy ze stopniem doktora na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara i Uniwersytecie Minnesoty w Duluth. „A więc to jest świetne okno”. Ona i jej koledzy odkryli nowy typ obiegu siarki w jeziorze. Ich ustalenia, opublikowane w Limonologia i oceanografiaSkoncentruj uwagę na roli, jaką odgrywają związki siarkoorganiczne w tym cyklu biogeochemicznym.

Jon siarczanowy (SO₄) jest najpowszechniejszą formą siarki w środowisku i jest głównym składnikiem wody morskiej. Na dnie oceanów i jezior, gdzie tlen nie jest dostępny, niektóre drobnoustroje przeżywają, przekształcając siarczany w siarkowodór (H₂S). Los tego siarkowodoru jest złożony; Może zostać szybko pochłonięty przez mikroorganizmy podczas oddychania lub może zalegać w osadach przez miliony lat. Przekształcanie siarczanów w siarkowodór to starożytny zawód; Dowody genomiczne sugerują, że drobnoustroje robią to od co najmniej 3 miliardów lat.

Naukowcy uważają jednak, że siarczany stały się powszechne dopiero około 2,7–2,4 miliarda lat temu, kiedy aktywność fotosyntetyczna nowo wyewoluowanych cyjanobakterii zaczęła pompować ogromne ilości tlenu do oceanu i atmosfery. Skąd więc te starożytne mikroby zdobyły siarczany?

Alexandra Phillips jest naukowcem zajmującym się morzem i klimatem, specjalizującym się w oceanografii, geochemii i geobiologii. Jej badania skupiają się na siarki organicznej występującej w oceanach i jeziorach, a także na tym, jak media społecznościowe mogą prezentować różnorodne wzorce do naśladowania dla kobiet w dziedzinach STEM. Phillips pełni także funkcję popularyzatora nauki i specjalisty ds. polityki.

Myśląc o tym dylemacie, Phillips zwróciła swoją uwagę na siarkę organiczną, cząsteczki, w których siarka jest związana z węglem. Należą do nich sulfotłuszcze i aminokwasy siarkowe. We współczesnym oceanie siarczany występują w przybliżeniu milion razy w większej ilości niż siarka organiczna. „Ale w systemie, w którym nie ma dużo siarczanów, nagłe pojawienie się siarki organicznej jest o wiele ważniejsze” – powiedziała.

„Przez długi czas nasze myślenie było zdominowane przez to, czego możemy się nauczyć od współczesnych oceanów bogatych w siarczany” – powiedział główny badacz Siergiej Katsev, profesor w Obserwatorium Wielkich Jezior na Uniwersytecie w Minnesocie. Katsev był głównym naukowcem w projekcie finansowanym przez National Science Foundation. „Jednak zrozumienie wczesnej Ziemi wymaga przyjrzenia się procesom zachodzącym, gdy brakuje siarczanów, i właśnie w tym przypadku siarka organiczna może zmienić cały paradygmat”.

Przypadkowo Jezioro Superior zawiera bardzo mało siarki, około tysiąc razy mniej niż współczesny ocean. „Jeśli chodzi o siarczany, miliardy lat temu Jezioro Superior wydaje się znacznie bliżej oceanu, co może pomóc nam zrozumieć procesy, których nie możemy cofnąć się w czasie i bezpośrednio obserwować” – powiedział Phillips. Wczesne oceany zawierały bardzo mało siarczanów, ponieważ było mało wolnego tlenu, który mógł tworzyć dwutlenek siarki₄.

Wielkie jezioro działa jak odpowiednik starożytnego oceanu, dzięki czemu Phillips mógł zobaczyć, jak w tamtym czasie przebiegałby cykl siarki w warunkach podobnego składu chemicznego. W jej głowie krążyły trzy pytania:

1. Jeśli nastąpi redukcja siarczanów, jakie drobnoustroje są za to odpowiedzialne?
2. Jeśli siarka organiczna napędza ten proces, jakie rodzaje związków preferują drobnoustroje?
3. Co dzieje się z powstałym siarkowodorem?

Phillips i jej współpracownicy udali się do jeziora Superior, aby śledzić siarkę organiczną od źródła do ujścia. Zespół pobrał do laboratorium próbki wody i osadu do analizy z dwóch miejsc: jednego z dużą ilością tlenu w osadzie i drugiego bez. Redukcja siarczanów zwykle zachodzi w częściach środowiska z niedoborem tlenu. Tlen jest wspaniałym zasobem, dlatego organizmy, kiedy tylko mogą, wolą używać tlenu niż siarczanów. Zespół wykorzystał metagenomikę do poszukiwania drobnoustrojów posiadających geny zaangażowane w redukcję siarczanów. Znaleźli go dużo, szczególnie w warstwie, w której osiągnięto najwyższy poziom siarczanów w osadach. W sumie udało im się zidentyfikować osiem typów komórek redukujących siarczany.

Następnie badacze postanowili określić, jaki rodzaj siarki organicznej preferują drobnoustroje. Podali różne formy siarki organicznej w celu oddzielenia społeczności drobnoustrojów i obserwowali wyniki. Naukowcy odkryli, że drobnoustroje wytwarzały większość siarki z sulfolipidów, a nie z aminokwasów siarkowych. Chociaż proces ten wymaga pewnej ilości energii, jest to znacznie mniej niż to, co mikroorganizmy mogą uzyskać w wyniku późniejszej redukcji siarczanu do siarkowodoru.

W tym procesie nie tylko faworyzowano sulfotłuszcze, ale było ich także więcej w osadzie. Lipidy progenitorowe są wytwarzane przez inne społeczności drobnoustrojów i po śmierci dryfują na dno jeziora.

Po odpowiedziach na pytania „kto” i „jak” Phillips skupiła się na losie siarkowodoru. We współczesnym oceanie siarkowodór może reagować z żelazem, tworząc piryt. Ale może również reagować z cząsteczkami organicznymi, tworząc związki siarkoorganiczne. „Odkryliśmy, że w jeziorze było mnóstwo siarkowej materii organicznej, co było dla nas naprawdę zaskakujące” – powiedziała. „Siarka organiczna, która zasila cykl siarki, jest nie tylko źródłem, ale jest także ostatecznym pochłaniaczem siarkowodoru”.

Ten cykl – od siarki organicznej, przez siarczan, siarkowodór i z powrotem – jest dla badaczy zupełnie nowy. „Naukowcy badający systemy wodne muszą zacząć myśleć o siarki organicznej jako o głównym czynniku” – powiedział Phillips. Związki te mogą napędzać cykl siarki w środowiskach ubogich w składniki odżywcze, takich jak Jezioro Superior, a nawet starożytny ocean.

Proces ten może być również istotny w układach o dużej zawartości siarczanów. „Organiczny obieg siarki, taki jak ten, który obserwujemy w Jeziorze Górnym, jest prawdopodobnie wszechobecny w osadach morskich i słodkiej wodzie. Jednak siarczany w oceanach są tak obfite, że ich zachowanie przyćmiewa większość naszych sygnałów” – stwierdził główny badacz. Morgan Raven, biochemik z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara. „Praca w jeziorze Superior o niskiej zawartości siarki pozwala nam zobaczyć, jak dynamiczny jest obieg siarki organicznej w osadach”. Wydaje się, że siarka organiczna służy jako źródło energii dla społeczności drobnoustrojów, a także chroni węgiel organiczny i skamieniałości molekularne. Łącznie te czynniki mogą pomóc naukowcom zrozumieć ewolucję mikroorganizmów krążących w siarki i ich wpływ na chemię Ziemi.

READ  Naukowcy mierzą atmosferę planety odległej o 340 lat świetlnych z niespotykaną dotąd dokładnością

Phillips dodał, że w niektórych wczesnych reakcjach biochemicznych mogła brać udział siarka. „Jesteśmy pewni, że siarka odegrała ważną rolę w naprawdę wczesnych procesach metabolicznych”. Lepsze zrozumienie cyklu siarki mogłoby dostarczyć wglądu w to, jak wczesne formy życia wykorzystywały ten typ chemii redoks.

/Wydanie ogólne. Ten materiał od oryginalnej organizacji/autora(ów) może mieć charakter chronologiczny i został zredagowany pod kątem przejrzystości, stylu i długości. Mirage.News nie zajmuje stanowiska korporacyjnego ani stron, a wszystkie poglądy, stanowiska i wnioski wyrażone w niniejszym dokumencie są wyłącznie poglądami autorów. Zobacz całość tutaj.