Следы бурной жизни обнаружили в самом «невозможном» месте древней Земли: почему следы фотосинтеза оказались в зоне полной темноты

В геологии реконструкция условий прошлого строится на анализе физических следов, сохранившихся в камне. Одним из таких следов являются так называемые «морщинистые структуры» — специфический микрорельеф на поверхности пластов песчаника или алевролита. Как правило, наличие этих структур считалось надежным доказательством того, что порода сформировалась на мелководье, в зоне, доступной для солнечного света.

Однако недавнее исследование, проведенное международной группой геологов и палеонтологов, доказывает ошибочность этого правила. Данные, полученные при изучении отложений раннего юрского периода в Марокко, показывают, что сложные микробные сообщества способны формировать идентичные структуры на большой глубине, в условиях полной темноты. Это открытие требует пересмотра устоявшихся методов интерпретации геологической летописи.

Проблема идентификации палеосреды

Морщинистые структуры представляют собой хаотичные, нерегулярные гребни и впадины высотой от миллиметра до нескольких сантиметров. Их образование традиционно связывают с деятельностью цианобактериальных матов — плотных колоний микроорганизмов, которые покрывают морское дно, скрепляют частицы песка и предотвращают их размывание. Поскольку цианобактерии — это фотосинтезирующие организмы, их наличие автоматически указывает на то, что дно находилось в фотической зоне (то есть на глубине, куда проникает достаточно света, обычно до 100-200 метров, но для формирования активных матов — значительно меньше).

В фанерозое (геологическом эоне, начавшемся около 539 миллионов лет назад) такие структуры встречаются редко. Причина заключается в появлении и распространении роющих животных. Черви, моллюски и ракообразные активно перерабатывают донный осадок, разрушая хрупкие бактериальные пленки еще до того, как те успеют окаменеть. Поэтому находка хорошо сохранившихся морщинистых структур обычно сигнализирует о двух факторах: наличии света и отсутствии животных (возможно, из-за экстремальной солености или высыхания лагуны).

Однако находка в формации Тагудит в горах Высокого Атласа (Марокко) вступила в противоречие с моделью. Геологи обнаружили типичные морщинистые текстуры в слоях, которые по всем остальным признакам являются глубоководными. Анализ показал, что осаждение происходило на глубине не менее 200 метров, а возможно и больше, в условиях мутного океана, где фотосинтез невозможен.

Механика образования в глубоководных зонах

Исследователи установили, что основную роль в формировании этих структур сыграли не фотосинтезирующие водоросли, а хемосинтезирующие бактерии. Чтобы понять, как это произошло, необходимо рассмотреть механизм доставки питательных веществ на дно.

Изученные породы классифицируются как турбидиты. Это отложения мутьевых потоков — мощных подводных лавин, состоящих из смеси воды, песка и ила, которые сходят с континентального шельфа в глубоководный бассейн. Такие потоки захватывают и уносят на глубину огромное количество органического материала: остатки наземных растений, древесину и морской планктон.

После того как мутьевой поток останавливается, органика оказывается погребенной под слоем свежего осадка. В условиях затрудненного доступа кислорода внутри этого слоя начинается процесс анаэробного разложения. Бактерии, перерабатывающие органику в толще грунта, выделяют побочные продукты реакции, в первую очередь сероводород (сульфиды) и метан. Эти газы, будучи легче воды и осадка, начинают подниматься (диффундировать) вверх, к границе раздела дна и морской воды.

Именно на этой границе возникают условия для развития специфической жизни. Хемосинтезирующие бактерии (например, представители семейства Beggiatoaceae, к которым относятся современные серобактерии) используют химическую энергию окисления сульфидов для своей жизнедеятельности. Им не нужен свет, им необходим лишь приток восстановленных соединений снизу и наличие окислителей (кислорода или нитратов) в воде сверху.

Эти бактерии образуют плотные, тягучие маты, оплетая песчинки своими нитями. Лабораторные анализы и сравнение с современными аналогами показывают, что такие колонии способны стабилизировать поверхность дна. Под воздействием придонных течений упругий микробный мат не разрушается, а деформируется, образуя характерные складки и гребни, которые впоследствии цементируются и превращаются в камень.

Химическая защита и сохранение структуры

Главный вопрос исследования заключался в том, почему эти структуры сохранились и не были уничтожены донными животными, как это обычно происходит в морских экосистемах юрского периода. Ответ кроется в биохимии процесса.

Хемосинтез на основе окисления серы неразрывно связан с высокой концентрацией сероводорода в поровых водах осадка. Сероводород является сильным токсином для большинства многоклеточных организмов. Высокая токсичность среды создала своеобразный защитный барьер вокруг бактериальных колоний. Роющие животные и падальщики избегали участков дна, насыщенных сульфидами, что исключало биотурбацию (перемешивание осадка).

Так что сложилась уникальная комбинация факторов:

1. Турбидиты обеспечили доставку «топлива» (органики) на глубину.
2. Анаэробный распад создал источник химической энергии.
3. Хемосинтезирующие бактерии сформировали физическую структуру (мат).
4. Токсичные побочные продукты защитили эту структуру от разрушения животными.
5. Последующее осадконакопление «запечатало» рельеф, позволив ему сохраниться в геологической летописи.

Доказательная база: микроскопия и геохимия

Выводы ученых базируются не только на теоретическом моделировании, но и на прямом изучении образцов породы. Использование растровой электронной микроскопии (SEM) и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) позволило заглянуть внутрь каменных структур.

На срезах образцов, непосредственно под гребнями морщин, были обнаружены микроскопические слои с аномально высоким содержанием углерода. Это распределение не объясняется физическими процессами осаждения (например, простой сортировкой зерен по весу). Углеродистые прослойки повторяют контур поверхности, что указывает на их биологическое происхождение — это остатки органического вещества самих бактериальных матов или продуктов их метаболизма, которые были минерализованы в процессе литификации.

Также исследователи исключили абиотические версии происхождения, такие как воздействие штормовых волн (которые не проникают на такую глубину) или нагрузки от вышележащих слоев. Форма гребней — округлая и плавная — характерна именно для биологического скрепления осадка, а не для механической деформации.

Значение для геологии и палеонтологии

Наличие морщинистых структур в осадочных породах больше не может служить однозначным индикатором мелководья. Геологам необходимо учитывать контекст: если окружающие породы имеют признаки турбидитов или глубоководного осадконакопления, то обнаруженные структуры, вероятнее всего, имеют хемосинтетическую природу.

Более того, исследование открывает новое направление в поиске следов древней жизни. Турбидиты ранее рассматривались геологами преимущественно как записи физических катастроф (обвалов, течений). Теперь они предстают как «тафономическое окно» — среда, способствующая сохранению следов специфических глубоководных экосистем.

Современные океанологи наблюдают подобные бактериальные сообщества в зонах холодных просачиваний метана и на континентальных склонах Перу и Чили. Новая работа подтверждает, что эти механизмы адаптации к темноте и токсичной среде являются эволюционно древними. Бактерии успешно колонизировали глубоководные участки океана еще в юрском периоде, используя кратковременные события (сход лавин) для создания устойчивых, пусть и локальных, экосистем. Это знание позволяет ученым точнее реконструировать биологическое разнообразие и геохимические циклы древних океанов, заполняя пробелы в летописи жизни на Земле.

Источник:Geology