Vi sinh vật hình thành vỏ trái đất như thế nào

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Những ngọn núi trông đặc biệt ấn tượng trong bối cảnh là thảo nguyên Mông Cổ bất tận. Đứng dưới chân, người ta bị cám dỗ để suy ngẫm về sức mạnh khổng lồ của ruột trái đất đã chồng chất lên những rặng núi này. Nhưng đã trên đường đến đỉnh, một mô hình mỏng bao phủ các gờ đá bắt mắt. Nước mưa này đã ăn mòn nhẹ các bộ xương xốp của bọt biển khảo cổ học cổ đại tạo nên ngọn núi, những người xây dựng thực sự của dãy núi.

Những gã khổng lồ nhỏ của những công trình lớn

Một lần, hơn nửa tỷ năm trước, chúng nhô lên từ đáy biển ấm như một rạn san hô sáng của một hòn đảo núi lửa. Anh ta chết, được bao phủ bởi một lớp tro nóng dày đặc - một số tế bào khảo cổ thậm chí đã bị thiêu rụi, và các hốc đá được bảo quản trong tủ đông lạnh.

Tuy nhiên, nhiều bộ xương, đã lớn lên cùng nhau trong suốt thời gian tồn tại và "đông cứng" vào đá bởi các lớp xi măng biển uốn lượn, vẫn ở những vị trí quen thuộc cho đến ngày nay, khi biển đã biến mất từ lâu. Mỗi bộ xương như vậy nhỏ hơn ngón tay út. Có bao nhiêu cái?

Bộ xương của những người phóng xạ nhỏ bé tạo nên những tảng đá silic của các dãy núi.

Sau khi ước tính thể tích của một ngọn núi thấp (bề ngang dưới chân khoảng một km và chiều cao khoảng 300 m), chúng ta có thể tính toán rằng khoảng 30 tỷ bọt biển đã tham gia vào quá trình xây dựng nó. Đây là một con số bị đánh giá quá thấp: nhiều bộ xương từ lâu đã bị xát thành bột, một số bộ xương khác đã hoàn toàn tan biến, không có thời gian để được bao phủ bởi các lớp trầm tích bảo vệ. Và đây chỉ là một ngọn núi, và ở phía tây của Mông Cổ có toàn bộ dãy núi.

Bọt biển nhỏ đã mất bao lâu để hoàn thành một "công trình" hoành tráng như vậy?

Và đây là một vách đá khác gần đó, nhỏ hơn, không phải đá vôi màu trắng, mà là màu xám đỏ. Nó được hình thành bởi các lớp mỏng của đá phiến silic, bị han gỉ do quá trình oxy hóa của các tạp chất sắt. Có một thời, những ngọn núi này là đáy biển, và nếu bạn tách chính xác theo các lớp (đánh mạnh nhưng cẩn thận), thì trên bề mặt mở ra, bạn có thể thấy vô số hình kim và hình chữ thập dài 3-5 mm.

Đây là phần còn lại của bọt biển, nhưng trái ngược với toàn bộ bộ xương bằng đá vôi của các tế bào khảo cổ, cơ sở của chúng được hình thành từ các nguyên tố silicon riêng biệt (spicules). Vì vậy, đã chết, chúng vỡ vụn, nằm rải rác dưới đáy những "chi tiết" của chúng.

Bộ xương của mỗi miếng bọt biển bao gồm ít nhất một nghìn "kim", khoảng 100 nghìn trong số đó nằm rải rác trên mỗi mét vuông. Số học đơn giản cho phép chúng ta ước tính có bao nhiêu động vật để tạo thành một lớp dài 20 mét trên diện tích Ít nhất 200 x 200 m: 800 tỷ. Và đây chỉ là một trong những chiều cao xung quanh chúng ta - và chỉ là một vài phép tính sơ bộ. Nhưng từ chúng, rõ ràng là các sinh vật càng nhỏ thì sức sáng tạo của chúng càng lớn: những người xây dựng chính Trái đất là đơn bào.

Các mảng đá vôi hở của tảo phù du đơn bào - bông cải xanh - được kết hợp thành các hạt cầu lớn, và khi vỡ vụn, chúng biến thành cặn phấn.

Trên cạn, dưới nước và trên không

Được biết, cứ 1 cm³Phấn viết chứa khoảng 10 tỷ vảy vôi mịn của tảo phù du coccolithophorids. Muộn hơn rất nhiều so với thời đại của các biển Mông Cổ, trong đại Trung sinh và đại Trung sinh hiện nay, họ đã dựng lên những vách đá phấn ở Anh, Volga Zhiguli và các khối núi khác, bao phủ đáy của tất cả các đại dương hiện đại.

Quy mô hoạt động xây dựng của họ thật đáng kinh ngạc. Nhưng chúng nhạt nhòa so với những biến đổi khác mà cuộc sống của chính cô đã thực hiện trên hành tinh.

Vị mặn của biển và đại dương được xác định bởi sự hiện diện của clo và natri. Không có nguyên tố nào được các sinh vật biển yêu cầu với số lượng lớn và chúng tích tụ trong dung dịch nước. Nhưng hầu hết mọi thứ khác - mọi thứ được thực hiện bởi các con sông và đến từ ruột thông qua các suối nước nóng dưới đáy - đều bị hấp thụ trong tích tắc. Silicon được lấy làm lớp vỏ trang trí công phu của chúng bởi tảo cát đơn bào và chất phóng xạ.

Hầu hết tất cả các sinh vật cần phốt pho, canxi và tất nhiên, carbon. Điều thú vị là, việc tạo ra một bộ xương bằng đá vôi (giống như của san hô hoặc động vật khảo cổ học cổ đại) xảy ra cùng với việc giải phóng carbon dioxide, do đó, hiệu ứng nhà kính là một sản phẩm phụ của việc xây dựng các rạn san hô.

Coccolithophorides không chỉ hấp thụ canxi từ nước, mà còn hấp thụ lưu huỳnh hòa tan. Nó cần thiết để tổng hợp các hợp chất hữu cơ làm tăng khả năng nổi của tảo và cho phép chúng ở gần bề mặt được chiếu sáng.

Khi các tế bào này chết đi, các chất hữu cơ phân hủy và các hợp chất lưu huỳnh dễ bay hơi bay hơi cùng với nước, đóng vai trò là mầm mống cho sự hình thành các đám mây. Một lít nước biển có thể chứa tới 200 triệu coccolithophorids, và mỗi năm các sinh vật đơn bào này cung cấp tới khí quyển 15,5 triệu tấn lưu huỳnh - gần gấp đôi so với núi lửa trên đất liền.

Mặt trời có khả năng cung cấp cho Trái đất năng lượng gấp 100 triệu lần so với ruột của hành tinh (3400 W / m² chống lại 0,00009 W / m²). Nhờ quá trình quang hợp, sự sống có thể sử dụng các nguồn tài nguyên này, đạt được sức mạnh vượt quá khả năng của các quá trình địa chất. Tất nhiên, phần lớn sức nóng của mặt trời chỉ đơn giản là bị tiêu tán. Nhưng tất cả đều giống nhau, dòng năng lượng được tạo ra bởi các sinh vật sống cao gấp 30 lần so với dòng chảy của địa chất. Sự sống đã kiểm soát hành tinh trong ít nhất 4 tỷ năm.

Vàng bản địa đôi khi tạo thành những tinh thể kỳ lạ có giá trị hơn cả kim loại quý.

Lực lượng ánh sáng, lực lượng bóng tối

Nếu không có các sinh vật sống, nhiều loại đá trầm tích sẽ không thể hình thành. Nhà khoáng vật học Robert Hazen, người đã so sánh sự đa dạng của các khoáng chất trên Mặt trăng (150 loài), sao Hỏa (500) và hành tinh của chúng ta (hơn 5000), kết luận rằng sự xuất hiện của hàng nghìn khoáng chất trên cạn có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp đến hoạt động của nó sinh quyển. Đá trầm tích tích tụ dưới đáy các thủy vực.

Bị chìm xuống độ sâu, trải qua hàng triệu và hàng trăm triệu năm, tàn tích của các sinh vật đã hình thành nên các lớp trầm tích mạnh mẽ, chúng vẫn bị ép lên bề mặt dưới dạng các dãy núi. Điều này là do sự chuyển động và va chạm của các mảng kiến tạo khổng lồ. Nhưng bản thân quá trình kiến tạo sẽ không thể thực hiện được nếu không phân chia đá thành một loại "vật chất tối" và "vật chất nhẹ".

Ví dụ, thứ nhất được biểu diễn bằng bazan, trong đó các khoáng chất có tông màu tối chiếm ưu thế - pyroxen, olivin, plagiocla cơ bản và trong số các nguyên tố - magiê và sắt. Loại thứ hai, chẳng hạn như granit, bao gồm các khoáng chất màu sáng - thạch anh, fenspat kali, plagiocla albite, giàu sắt, nhôm và silic.

Đá sẫm đặc hơn đá sáng (trung bình 2,9 g / cm³ chống lại 2,5-2,7 g / cm³) và hình thành các mảng đại dương. Khi va chạm với các mảng lục địa "nhẹ", ít dày đặc hơn, các mảng đại dương chìm xuống dưới chúng và tan chảy trong ruột hành tinh.

Dải màu sáng của quặng sắt phản ánh sự luân phiên theo mùa của các lớp sắt silic màu sẫm và màu đỏ.

Các khoáng chất lâu đời nhất chỉ ra rằng nó là "vật chất tối" xuất hiện đầu tiên. Tuy nhiên, những tảng đá dày đặc này không thể tự chìm vào trong để đặt các mảng chuyển động. Điều này đòi hỏi "mặt sáng" - khoáng chất, vốn đang bị thiếu hụt trong lớp vỏ bất động của Sao Hỏa và Mặt Trăng.

Không phải vô cớ mà Robert Hazen tin rằng chính các sinh vật sống của Trái đất, biến một số tảng đá thành đá khác, cuối cùng dẫn đến sự tích tụ "vật chất nhẹ" của các mảng. Tất nhiên, những sinh vật này - đối với phần lớn là xạ khuẩn đơn bào và các vi khuẩn khác - không đặt cho mình một nhiệm vụ cao siêu như vậy. Mục tiêu của họ, như mọi khi, là tìm thức ăn.

Luyện kim màu của đại dương

Trên thực tế, thủy tinh bazan do núi lửa phun trào chứa 17% sắt, và mỗi mét khối của nó có khả năng nuôi 25 triệu tỷ vi khuẩn sắt. Tồn tại ít nhất 1,9 tỷ năm, chúng biến đổi một cách khéo léo bazan thành một “nanô” chứa đầy khoáng sét mới (trong những năm gần đây, cơ chế như vậy đã được công nhận là nhà máy sản xuất khoáng sét sinh học). Khi một tảng đá như vậy được đưa đến ruột để làm tan chảy, các khoáng chất "nhẹ" mới được hình thành từ nó.

Có lẽ là sản phẩm của vi khuẩn và quặng sắt. Hơn một nửa trong số chúng được hình thành từ 2, 6 đến 1,85 tỷ năm trước, và chỉ riêng từ trường dị thường Kursk đã chứa khoảng 55 tỷ tấn sắt. Nếu không có sự sống, chúng khó có thể tích lũy: để oxy hóa và kết tủa sắt hòa tan trong đại dương, cần có oxy tự do, sự xuất hiện của oxy ở thể tích cần thiết chỉ có thể do quá trình quang hợp.

Vi khuẩn Acidovorax kích thích sự hình thành gỉ xanh - hydroxit sắt.

Sự sống có thể thực hiện quá trình "xử lý" sắt và trong bóng tối, độ sâu thiếu oxy. Các nguyên tử của kim loại này, do các nguồn dưới nước mang đi, bị vi khuẩn có khả năng oxy hóa sắt bắt giữ để tạo thành sắt sắt, lắng xuống đáy với màu xanh lá cây.

Vài tỷ năm trước, khi còn rất ít oxy trên hành tinh, điều này xảy ra ở khắp mọi nơi, và ngày nay có thể thấy hoạt động của những vi khuẩn này trong một số vùng nước nghèo oxy.

Vi sinh quý

Có thể những mỏ vàng lớn đã không xuất hiện nếu không có sự tham gia của các vi khuẩn kỵ khí không cần oxy. Các mỏ chính của kim loại quý (bao gồm cả ở Witwatersrand ở miền nam châu Phi, nơi có trữ lượng được thăm dò là khoảng 81 nghìn tấn) được hình thành cách đây 3, 8-2, 5 tỷ năm trước.

Theo truyền thống, người ta tin rằng các quặng vàng ở địa phương được hình thành bằng cách chuyển và rửa các hạt vàng bằng các con sông. Tuy nhiên, nghiên cứu về vàng của Witwatersrand cho thấy một bức tranh hoàn toàn khác: kim loại này được "khai thác" bởi vi khuẩn cổ đại.

Dieter Halbauer đã mô tả những cột carbon kỳ lạ được bao quanh bởi các hạt vàng nguyên chất vào năm 1978. Trong một thời gian dài, khám phá của ông không thu hút được nhiều sự chú ý cho đến khi phân tích bằng kính hiển vi và đồng vị các mẫu quặng, mô hình hóa sự hình thành quặng bằng các đàn vi khuẩn hiện đại và các phép tính khác đã xác nhận tính đúng đắn của nhà địa chất.

Rõ ràng, khoảng 2,6 tỷ năm trước, khi núi lửa bão hòa khí quyển bằng hydro sunfua, axit sunfuric và lưu huỳnh điôxít với hơi nước, mưa axit đã rửa trôi các tảng đá chứa vàng rải rác và mang theo các dung dịch đến vùng nước nông. Tuy nhiên, bản thân kim loại quý đến đó dưới dạng các hợp chất nguy hiểm nhất đối với bất kỳ sinh vật sống nào, như xyanua.

Để ngăn chặn mối đe dọa, vi khuẩn “khử trùng” nước, khử muối vàng độc hại thành phức chất cơ kim hoặc thậm chí thành kim loại nguyên chất. Các hạt lấp lánh lắng đọng trên các khuẩn lạc vi khuẩn, tạo thành các chuỗi đa bào, hiện có thể được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét. Các vi sinh vật vẫn tiếp tục kết tủa vàng ngay cả bây giờ - ví dụ như quá trình này được quan sát thấy trong các suối nước nóng ở New Zealand, mặc dù ở quy mô rất khiêm tốn.

Cả Witwatersrand và, có lẽ, các mỏ khác cùng tuổi là kết quả của hoạt động quan trọng của các cộng đồng vi khuẩn trong bầu không khí không có oxy. Dị thường từ tính Kursk và các mỏ quặng sắt liên quan được hình thành vào đầu kỷ nguyên ôxy. Tuy nhiên, nhiều trầm tích ở quy mô này đã không xuất hiện và không bao giờ có thể bắt đầu hình thành trở lại: thành phần của khí quyển, đá và nước đại dương đã thay đổi nhiều lần kể từ đó.

Nhưng trong thời gian này, vô số thế hệ sinh vật sống cũng đã thay đổi, và mỗi thế hệ đều có thể tham gia vào quá trình tiến hóa toàn cầu của Trái đất. Những lớp bọt biển dày đặc và những cây đuôi ngựa trên đất liền đã biến mất, thậm chí những đàn voi ma mút cũng chỉ là dĩ vãng, để lại dấu vết địa chất. Đã đến lúc cho những sinh vật khác và những thay đổi mới trong tất cả các lớp vỏ của hành tinh chúng ta - nước, không khí và đá.